Projekti / Programi
Rast visoko-kvalitetnih piezoelektričnih tankih plasti na siliciju z uporabo pulznega laserskega nanašanja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Pulzno lasersko nanašanje, rekonstrukcija silicijeve površine, vmesna plast na osnovi Sr, piezoelektrične tanke plasti, MEMS, zbiranje energije
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.997 |
| 2. |
0106 |
Institut "Jožef Stefan" |
Ljubljana |
5051606000 |
90.742 |
Povzetek
Namen predlaganega projekta je kvalitetno povezati različne okside s silicijem na hiter in zanesljiv način z uporabo pulznega laserskega nanašanja (PLD). S takšnim kvalitetnim povezovanjem bomo raznovrstne lastnosti oksidov dodali dobro razviti silicijevi tehnologiji, s čimer bomo izrazito izboljšalo uporabnost številnih naprav. Oddaja projekta je povezana s pomanjkanjem komercialno sprejemljivih tehnologij, ki so sposobne združevati tako raznovrstne materiale. Epitaksija z molekularnim curkom (MBE), ki omogoča rast visoko-kvalitetnih oksidov na silicijevih rezinah, namreč izkazuje zelo počasno hitrost rasti, poleg tega pa je metoda tudi izjemno občutljiva na pogoje nanašanja. V okviru projekta predlagamo uporabo PLD tehnologije, ki lahko uspešno odpravi težave, povezane z MBE sinteznim postopkom, pri čemer le-ta ohrani kontrolo rasti na atomskem nivoju. Uporabo PLD tehnologije pa je podprlo dejstvo, da na trgu že obstajajo komercialno dostopni industrijski sistemi, ki omogočajo homogeno rast na substratih s premerom 6 inčev z izredno hitrostjo rasti, 50 nm/min.
Zaradi raznolikih lastnosti oksidov in silicija in posledično izjemno težavne rasti se je razvila potreba po razvoju templatov, na katere je možno enostavno nanesti različne okside. Prvi cilj projekta tako teži k pripravi visoko-kvalitetne SrTiO3 tankih plasti na silicijevih substratih. Pri tem bomo z uporabo številnih naprednih in-situ analitskih tehnik natančno spremljali rast izhodiščnih plasti, ki imajo pripravi eitaksialnih struktur najpomembnejšo vlogo. Tovrstne in-situ analize omogočajo prenos vzorcev v ulta-visokem vakuumu (UVV) in so zaradi visoke reaktivnosti vmesnih plasti predpogoj za njihovo temeljito razumevanje. Izvedba in-situ meritev predstavlja najbolj kompleksen del projekta, omogoča pa jo občutljiva povezava UVV sistemov. Dobljene strukture bomo preučili tudi z uporabo najnovejšega vrstičnega presevnega elektronskega mikroskopa s korektorjem aberacije, ki bo razkril točno sestavo ravnine na spoju materialov in bo omogočal ustrezno spremembo procesa nanašanja. Gre za prvo tovrstno študijo, za katero smo prepričani, da bo omogočila vpogled v edinstvene lastnosti ter uspešno načrtovanje vmesnih plasti med silicijem in oksidi z uporabo PLD tehnike.
Mikroelektromehanski sistemi (MEMS) so ena izmed najhitreje razvijajočih silicijevih tehnologij, ki v kombinaciji s piezoelektrični materiali izkazuje velik potencial za napredne naprave. Med številnimi možnostmi, s projektom ciljamo na naprave za zbiranje energije, ki proizvajajo elektriko iz odpadnih vibracij in jih lahko uporabimo v številnih aplikacijah, npr. preko bitja srca takšna naprava lahko napaja srčni spodbujevalec. Najvišji izkoristek pretvorbe nudijo povsem epitaksialne Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) plasti, ki so jih na siliciju pripravili s kombinacijo naparevanja in MBE tehnike, katere slabosti pa onemogočajo komercializacijo razvitih naprav. Drugi cilj projekta se tako nanaša na funkcionalizacijo pripravljenih templatov z visoko-kvalitetnimi PMN-PT tankih plasti z uporabo PLD tehnologije. Kot okoljsko prijazne material bomo v projektu raziskovali tudi piezoelektrične sisteme brez svinca, temelječe na Na0,5Bi0,5TiO3.
Pri izvedbi projekta nameravamo sodelovati tudi z dvema mednarodnima organizacijama, SINTEF iz Norveške ter Nacionalno Tajvansko Univerzo iz Tajvana. Na SINTEFU bodo preučevali rast na 6 inčnih substratih na osnovi protokolov, razvitih v okviru projekta. Pri tem bodo uporabljali pred kratkim nameščen system piezoFlare 1200, ki je prvi avtomatiziran PLD sistem za industrijsko rabo na svetu. SINTEF bo na osnovi pripravljenih plasti izvedel tudi načrtovanje in izdelavo ustreznih pretvornikov, ki bodo na Nacionalni Tajvanski Univerzi integrirani v naprave za zbiranje energije z ustreznim vmesnim vezjem ter testirani v realnih sistemih.
Pomen za razvoj znanosti
Integracija oksidnih tankih plasti s silicijem predstavlja pomemben raziskovalni cilj iz vidika temeljne, kakor tudi uporabne znanosti. Iz perspektive temeljne znanosti so rezultati raziskave zanimivi zaradi izboljšanja razumevanja interakcij med Si in Sr oziroma SrO ter površinskih rekonstrukcij in drugih strukturnih posebnosti. Omenjeni pojavi so bili sicer preučevani že prej, vendar le pri procesu nanašanja z MBE, kjer izvorni material izpareva iz efuzijskih celic in se počasi kondenzira na površini substrata. PLD pa je v osnovi tehnika, ki uporablja lasersko svetlobo za tvorbo plazme z visoko-energijskimi delci, ki lahko površino vzorca poškodujejo, predvsem pri nanosu v vakuumu. Z namenom zaščite površine in kontrole površinske rekonstrukcije smo preučevali pogoje nanašanja Sr in SrO, kot so temperatura substrata, tlak in atmosfera, energija in frekvenca laserskih pulzov, itn. Tako pripravljene vzorce smo analizirali z različnimi in-situ analiznimi tehnikami, da smo pridobili celovit vpogled v strukturo in kemijsko sestavo površine in vmesnega sloja Sr-Si. Pokazali smo, da je s PLD pripravljena kemijsko stabilna površina Si z 1 ML pokritosti Sr po kakovosti primerljiva z MBE, kar predstavlja pomemben rezultat tudi iz aplikativne perspektive, saj je PLD za industrijsko uporabo veliko primernejši od MBE. Da bi tako pripravljene substrate lahko združili s funkcionalnimi oksidi, je potrebno uporabiti pufrsko plast, ki je hkrati združljiva s površino Sr/Si in aktivno plastjo. Zato smo natančno preučevali rast STO na Sr/Si, pri čemer smo prav tako uporabljali najnaprednejše tehnike, da smo zagotovili rast stehiometrične STO plasti z nizko grobostjo površine, ki je potrebna za nadaljnjo rast funkcionalnih oksidov. V okviru drugega cilja projekta smo na tako pripravljene predloge STO/Sr/Si nanašali aktivne plasti PMN-PT. PMN-PT je dobro poznan piezoelektrični sistem, ki izkazuje visoke piezoelektrične koeficiente, vendar je njegova priprava zapletena, struktura pa še ni bila povsem pojasnjena, predvsem pri tankih plasteh v bližini MPB. Pripravo PMN-PT plasti smo sistematično optimizirali na monokristalnih substratih STO, da smo dosegli visoko stopnjo fazne čistosti in ustrezno kristalno strukturo PMN-PT. Plasti PMN-PT smo v enem primeru nanašali direktno na substrate STO, v drugem primeru pa smo med substrat in PMN-PT nanesli tankoplastne LNO elektrode. Tako so bile heterostrukture v prvem primeru primerne za uporabo EH naprave v 3-3 načinu delovanja, v drugem primeru pa za delovanje v načinu 3-1. Tovrstna celovita študija nudi vpogled v povezavo med kristalno, kemijsko in domensko strukturo plasti ter funkcionalnimi lastnostmi na različnih predlogah. Razumevanje te povezave je nepogrešljivo pri načrtovanju oksidnih plasti za specifične aplikacije. Znanje, pridobljeno v študiji na raziskovalnem PLD sistemu, je bilo preneseno na industrijski PLD sistem na SINTEFU, pri čemer so bile pridobljene pomembne informacije glede prenosa procesa na večjo skalo. Uporaba tehnike PLD za pripravo celotne heterostrukture za EH napravo tako nudi številne prednosti v primerjavi s kombinacijo tehnik kot sta MBE in naprševanje.
Pomen za razvoj Slovenije
Večina današnje elektronike sloni na siliciju. Masovna proizvodnja silicijevih rezin omogoča delovanje super-računalnikov, pametnih telefonov in mnogih drugih naprav. Kljub temu pa je funkcionalnost samega silicija omejena. Njegova združitev z oksidnimi materiali odpira vrata novim elektronskim komponentam in napravam. Razvoj heterostruktur Si-oksidi poteka v dveh glavnih smereh: i) rast polikristaliničnih ali teksturiranih funkcionalnih plasti na SiO2/Si substratih, kjer je poudarek na hitrosti in preprostosti priprave in ii) rast epitaksialnih plasti na Si, kjer je poudarek na pripravi ostrega vmesnega sloja, ki omogoča nadaljnjo rast visoko-kakovostnih funkcionalnih plasti. Pri slednjem primeru se običajno z dolgotrajnim in zapletenim MBE postopkom pripravi Si predloga s pufrsko oksidno plastjo, nakar se debelejšo aktivno plast sintetizira z drugo, hitrejšo tehniko. Rezultati naše raziskave predstavljajo velik doprinos k celoviti integraciji funkcionalnih oksidnih plasti s Si s tehniko PLD, ki omogoča hitrejšo masovno proizvodnjo, hkrati pa ohranja visoko kakovost pripravljenih plasti. Rezultati projekta konkretno prispevajo k razvoju piezoelektričnih plasti, ki se lahko izkoristijo v obliki pretvornikov, aktuatorjev ali senzorjev v številnih MEMS napravah. Ker je razvita tehnologija združljiva z obstoječimi proizvodnimi procesi, je prenos pridobljenega znanja v industrijsko sfero lahko zelo hiter. Tovrstne napredne naprave so lahko proizvedene tudi v manjših ali srednje velikih podjetjih, kar bi jim omogočilo udeležbo na rastočem trgu MEMS industrije. Priložnosti in koncepti so bili predstavljeni več slovenskim podjetjem. Vzporedno s splošnim razvojem MEMS industrije in pametnih sistemov narašča tudi povpraševanje po EH napravah, na katere smo se osredotočali v tem projektu, saj obstaja močna težnja k samonapajanju tovrstnih sistemov. Razvoj naprednih EH naprav bi tako Sloveniji pomagal vzpostaviti mrežo interneta stvari (ang.: »Internet of Things«). Enega pomembnejših dosežkov projekta predstavlja tudi prenos znanja in veščin med sodelujočimi člani, med katerimi so bili tudi podoktorski sodelavci ter doktorski in magistrski študenti. Študenti so se izobraževali preko prenosa znanja znotraj skupine, kakor tudi preko komunikacije s sodelujočimi organizacijami iz mednarodnega okolja. Vsi sodelujoči člani so imeli priložnost delati z najnovejšo opremo ter skupaj reševati enega ključnih raziskovalnih problemov na področju oksidne elektronike. To je članom priskrbelo širšo prepoznavnost v dotični raziskovalni skupnosti. Ker je bil projekt izrazito interdisciplinarno usmerjen, je omogočil globlje razumevanje problematike, pri čemer se je projekt vseskozi osredotočal na iskanje rešitev za praktične aplikacije. Projekt je povezal delovanje različnih raziskovalnih skupin znotraj IJS. Posebno močno sodelovanje se je razvilo na podlagi UVV povezave med sistemi PLD, XPS in JT-STM, saj je le-ta omogočila celovito karakterizacijo heterostruktur. Projekt je prav tako okrepil sodelovanje med IJS in Kemijskim Institutom. V okviru projekta so se vzpostavile tudi mednarodne povezave, in sicer z raziskovalno organizacijo SINTEF z Norveške ter Nacionalno univerzo s Tajvana. Obe organizaciji sta uveljavljena člana MEMS skupnosti, ki izkazujeta odlične rezultate na področju uporabnih raziskav. Sodelovanje s člani omenjenih organizacij je veliko prispevalo k našemu razumevanju problematike, povezane z modeliranjem, proizvodnjo in integracijo MEMS naprav. Predvideno je nadaljnje sodelovanje z vsemi vpletenimi raziskovalnimi organizacijami. O rezultatih projekta smo poročali na številnih mednarodnih konferencah ter preko objav v znanstvenih revijah, s čimer smo promovirali člane projektne skupine, vključno z njihovimi institucijami. Prav tako smo pripravili inštitutsko promocijsko gradivo ter organizirali informativne obiske na IJS.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
