Projekta nosaukums latviski: Topoloģisko izolatoru nanoelektromehāniskas strāvas kontroles ierīces pielietojumiem kriogēnās temperatūrās

Projekta nosaukums angliski: Topological insulator nanoelectromechanical current controll devices for applications at cryogenic temperatures

Projekta numurs: lzp-2019/1-0349

Projekta īstenotājs: Latvijas Universitāte

Projekta vadītājs: vadošais pētnieks, Dr.chem. Prof. Donāts Erts

Projekta īstenošanas vadošā struktūrvienība LU: Ķīmiskās Fizikas institūts

Projekta īstenošanas periods: 01.01.2020.–31.12.2022.

Projekta kopējais finansējums: 300 000,00 EUR

Projekta kopsavilkums:

Projekta mērķis ir izstrādāt un pierādīt ideju par topoloģisko izolatoru (TI) nanoelektromehānisku (NEM) strāvas kontroles ierīcēm darbam kriogēnās temperatūrās. Ierīces strādās ON-OFF režīmos un stāvu ON stāvoklī papildus varēs kontrolēt ar elektrostatisko lauku un mehāniskiem spriegumiem aktīvajā elementā. NEM strāvas kontroles ierīču priekšrocības ir saistītas ar īpaši ātriem pārslēgšanās laikiem, mazu enerģijas patēriņu, nulles noplūdes strāvām un spēju darboties augstās temperatūrās. Tomēr svarīgu kriogēno pielietojumu jomai NEM strāvas kontroles ierīces nav izstrādātas, jo šajās temperatūrās tradicionālie materiāli (pusvadītāji, metāli) nav pielietojami, tāpēc ka to elektriskās un/vai mehāniskās īpašības pasliktinās līdz ar temperatūras pazemināšanos. Šī projekta mērķis ir aizstāt tradicionālos NEM slēdžu materiālus ar TI nanovadiem. TI ir pusvadītāji ar unikāliem vadošiem virsmas stāvokļiem, kas ir aizsargāti no izkliedes, un kuriem kriogenās temperatūrās vadītspējas temperatūrās atkarība ir līdzīga kā metāliem. Sagaidāms, ka kriogenās temperatūrās šo materiālu slāņainā struktūra, kurā kovalenti saistītos slāņus satur kopā van der Vālsa spēki, nodrošinās šo to labākas mehāniskās īpašības salīdzinot ar metāliem. Tiks noteikti un optimizēti NEM strāvas kontroles ierīču darbības parametri, pirmo reizi tiks izpētītas TI nanovadu elastīgās īpašības un lādiņnesēju transports atkarībā no temperatūras un pieliktā elektrostatiskā lauka un mehāniskiem spriegumiem.

Projekta galvenie mērķi:

  1. TI nanovadu lādiņnesēju transporta atkarības no kombinēta sprieguma un elektriskā lauka izpēte temperatūru reģionā no 2 līdz 230 K;
  2. TI nanovadu elastības īpašību temperatūras atkarības noteikšana temperatūru reģionā no 2 līdz 230 K;
  3. Uz TI nanovadiem balstītas nanoelektromehāniskas slēdža ierīces kriogēnām temperatūrām izstrāde un darbības demonstrēšana laboratorijas apstākļos (TRL 3);
  4. Uz TI nanovadiem balstītas nanoelektromehāniskas slēdža ierīces ar mehāniskā un elektriskā sprieguma modulētu strāvu ieslēgtā stāvoklī kriogēnām temperatūrām izstrāde un darbības demonstrēšana laboratorijas apstākļos.

Projektā plānotās darbības:

Projekta darba plāns ir iedalīts 5 galvenajās darba pakās:

  1. TI Bi2Se3 nanovadu sintēze un sakārtošana (WP1)
  2. Bi2Se3 nanovadu lādiņnesēju transporta īpašību atkarības no mehāniskā sprieguma un elektriskā lauka izpēte (WP2)
  3. Bi2Se3 nanovadu elastības īpašību atkarības no temperatūras izpēte (WP3)
  4. Uz TI Bi2Se3 nanovadiem balstītu nanoelektromehānisku slēdžu izgatavošana un to darbības demonstrēšana (WP4)
  5. Projekta vadība (WP5)

Projekta ietekme:

Projektā jauniegūtie pētnieciskie rezultāti tiks apkopoti vismaz 4 oriģinālās zinātniskajās publikācijās augstas ietekmes starptautiskajos zinātniskajos žurnālos. Rezultāti tiks prezentēti nacionālās un starptautiskās konferencēs.

Plānotā uz TI nanovadiem balstītā nanoelektromehāniskā ierīce kalpos ne tikai kā pamats dažādiem nanomēroga slēdžiem un strāvas kontroles ierīcēm pielietojumiem kriogēnās temperatūrās, bet arī turpmākai nanomēroga ierīču attīstībai metroloģijas nozarē. Zināšanas, kas tiks iegūtas projekta gaitā savienojumā ar H2020 FET Open projektā HiTIMe gūto pieredzi, ļaus sagatavot augstas kvalitātes turpmākos projektu pieteikumus nacionālā un Eiropas mērogā ar mērķi paaugstināt izstrādātās tehnoloģijas gatavības līmeni līdz TRL 5-6.

Projektā paveiktais:

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Topoloģisko izolatoru Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Kā galvenais mainīgais parametrs iznākuma un nanovadu morfoloģijas kontrolei tiek izmantots zelta katalizatora kārtiņas biezums. Ar termisko iztvaicēšanu uzklātais pārklājums tiek karsēts krāsnī, lai izraisītu Au nanodaļiņu veidošanos. Ar skenējošo elektronu mikroskopu veikta Au nanodaļiņu izmēru sadalījuma raksturošana. Noteikta Au nanodaļiņu izmēru atkarība no sākotnējā Au pārklājuma biezuma.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi2Se3 nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzes metodi un mehāniskajai pārnesei. Izmantojot optisko litogrāfiju, slapjo kodināšanu un metālu termisko iztvaicēšanu, tiek izveidotas elektrodu sistēmas ar dažādiem attālumiem starp elektrodiem un dažādiem elektrodu platumiem, lai pārbaudītu, kura ļaus efektīvāk izveidot nanovadu savienojumus starp elektrodiem dielektroforēzes procesa un sausās pārneses laikā.
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Izmantojot ar zelta katalizatoru sintezētos nanovadus, tiek pagatavota nanovadu suspensija izopropanolā un optimizēta nanovadu koncentrācija dielektroforēzes pielietojumiem. Nanovadu atdalīšana no sintēzes produktiem ar atšķirīgu morfoloģiju.
  • Literatūras izpēte par iespējām pārvērst ļoti mazus pārvietojumus, kas rodas elektriski ierosinātas nanovadu mehāniskās rezonanses laikā, elektriski detektējamos signālos. Salīdzinātas magnetomotīvās, kapacitatīvās un pjezorezistīvās detektēšanas shēmas, to pielietojumi, prasības un ierobežojumi, kā arī integrēšanas iespējas ar fizikālo īpašību mērīšanas sistēmu.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Topoloģisko izolatoru Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Ar skenējošo elektronu mikroskopu veikta sistemātiska iegūto nanovadu iznākuma raksturošana atkarībā no Au katalizatora nanodaļiņu izmēra un skaita uz laukuma vienību, meklējot optimālos parametrus iznākuma maksimizēšanai un morfoloģijas kontrolei.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi2Se3 nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzi un mehānisko pārnesi. Elektrodu sistēmu skaita uz vienas silīcija plāksnītes optimizācija, lai iegūtu maksimālo nanovadu savienojumu skaitu un vienlaicīgi nodrošinātu individuālus savienojumus.
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Tiek variēta nanovadu koncentrācija suspensijā, elektriskā lauka amplitūda un frekvence, lai optimizētu nanovadu savienojumu skaitu. Optimizēta superkritiskās žāvēšanas procedūra, lai nanovadi nepieliptu pie virsmas un varētu iegūt iekārtus nanovadus nanoelektromehāniskajai pārslēgšanai un mehāniskās rezonanses noteikšanai.
  • Lādiņnesēju transporta mērījumi ar zelta katalizatoru sintezētajos individuālos Bi2Se3 nanovados. Lai veiktu lādiņnesēju transporta mērījumus, optimizēti Bi2Se3 nanovadu/metāla kontakti, izmantojot slapjo kodināšanu skābju maisījumā. Noteikts kodināšanas ātrums, selektivitāte, kodinātās virsmas raupjums.
  • Ar fizikālo īpašību mērīšanas sistēmu savietojamas elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi2Se3 nanovadu rezonanses noteikšanai ar mērķi nomērīt nanovadu Junga moduļa atkarību no temperatūras.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Sintezēto nanovadu skaita uz laukuma vienību noteikšana, izmantojot skenējošā elektronu mikroskopa attēlus.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi2Se3 nanovadu sakārtošanai nanoelektromehānisku slēdžu un mehāniskās rezonanses sistēmas izveidei.
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Frekvences un amplitūdas piemeklēšana dielektroforēzes parametru optimizēšanai.
  • Kontaktu optimizācija, izmantojot kodināšanu un iztvaicētā metāla biezumu. Rezultātā iegūti omiski zemas pretestības kontakti. Fizikālo īpašību mērīšanas sistēmā noteikta nanovadu pretestības atkarība no temperatūras un magnētiskā lauka.
  • Lādiņnesēju transporta datu analīze, īpatnējās pretestības aprēķins un magnetopretestības oscilāciju analīze
  • Elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi2Se3 nanovadu rezonanses noteikšanai: sistēmas ģeometrijas optimizācija darbam frekvenču diapazonā ar visliekāko signāla/trokšņa attiecību.
  • Bi2Se3 nanovadu Junga moduļa noteikšana, izmantojot ielekšanas spriegumu; Nanoelektromehāniska uz individuāla Bi2Se3 nanovada balstīta slēdža ģeometrijas aprēķins veiksmīgai nanoelektromehāniska slēdža darbībai
  • Projekta rezultātu prezentēšana 22. starptautiskajā konferencē-skolā “Advanced materials and technologies 2020", 24 – 28. augustā 2020. g., Palangā, Lietuvā

Edijs Kauranens, Liga Jasulaneca, Raitis Sondors, Matiss Martins Ramma, Raimonds Meija, Kiryl Niherysh, Jana Andzane, Donats Erts. Dependence of Electrical Properties of Bismuth Selenide Nanowires on Temperature and Magnetic Field

Liga Jasulaneca, Matiss Martins Ramma, Raitis Sondors, Raimonds Meija, Edijs Kauranens, Donats Erts. Fabrication of suspended Bi2Se3 nanoribbon structures for characterization and device application

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Sintezēto nanovadu garuma un platuma noteikšana, izmantojot skenējošā elektronu mikroskopa attēlus.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana ar maziem attālumiem starp nanovadu un apakšējo elektrodu ar mērķi samazināt nanoelektromehāniska slēdža ieslēgšanās spriegumu.
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi, iznākuma salīdzinājums dažādiem elektrodu dizainiem.
  • Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi2Se3 nanolentās atkarībā no mehāniskā sprieguma un elektriskā lauka. Mērījumi veikti gan in situ skenējošā elektronu mikroskopā, gan fizikālo īpašību mērīšanas sistēmā
  • Bi2Se3 nanovadu kontaktpretestības samazināšana ar slapjo un sauso kodināšanu. Bi2Se3 nanovadu lādiņnesēju transporta datu analīze dažāda biezuma nanovadiem.
  • Elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi2Se3 nanovadu rezonanses noteikšanai
  • Bi2Se3 nanovadu Junga moduļa noteikšana no ielekšanas sprieguma; nanoelektromehāniska slēdža ielekšanas spriegumu modelēšana
  • Publikācijas sagatavošana par nanoelektromehāniska uz individuāla Bi2Se3 nanovada balstīta slēdža darbību kriogēnās temperatūrās un iesniegšana starptautiski recenzētā žurnālā Materials Science and Engineering: B

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Nanovadu biezuma mērījumi, izmantojot atomspēku mikroskopu. Publikācijas gatavošana par Bi2Se3 nanovadu sintēzi ar kontrolētu morfoloģiju un augstu iznākumu.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi2Se3 nanovadu mehāniskai pārnesei un rezonanses frekvences noteikšanai.
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi un mehāniska pārnešana
  • Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās dažāda biezuma Bi2Se3 nanolentās atkarībā no temperatūras un lādiņnesēju transporta datu analīze
  • Bi2Senanovadu Junga moduļa noteikšana no ielekšanas sprieguma, ģeometrijas aprēķins veiksmīgai NEM slēdža darbībai
  • Projekta rezultātu prezentēšana Latvijas Universitātes 79. starptautiskajā zinātniskajā konferencē

Edijs Kauranens, Liga Jasulaneca, Raitis Sondors, Gunta Kunakova, Donats Erts. Wet etching methods for bismuth selenide nanowire low resistance electric contact fabrication

Liga Jasulaneca, Raimonds Meija, Edijs Kauranens, Raitis Sondors, Jana Andzane, Juris Prikulis, Gunta Kunakova, Donats Erts. Fabrication and characterization of on-chip semiconductor nanowire nanoelectromechanical switches

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

  • Bi2Se3 nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Rentgenstaru difrakcijas mērījumi nanovadu augšanas virziena noteikšanai. Enerģijas dispersijas rentgenstaru spektroskopijas mērījumi nanovadu stehiometrijas noteikšanai. Publikācijas gatavošana un iesniegšana starptautiski recenzētā žurnālā Nanomaterials par Bi2Se3 nanovadu sintēzi ar kontrolētu morfoloģiju un augstu iznākumu. Tehnoloģijas izstrāde par Bi2Se3 nanovadu sintēzi ar augstu iznākumu.
  • Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi2Se3 nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzi un mehāniskai pārnesei
  • Sintezēto Bi2Se3 nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi un mehāniska pārnese uz elektrodu sistēmām. Optimizēts dielektroforēzes elektrodu dizains, lai iegūtu 50% nanovadu savienojumu.
  • Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi2Se3 nanolentās temperatūru diapazonā 2-300 K un lādiņnesēju transporta datu analīze
  • Optimālās nanoelektromehāniska slēdža ģeometrijas aprēķins, balstoties uz iepriekšējās darbībās noteiktajām prasībām un Bi2Se3 nanovadu īpašībām
  • Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas izstrāde, signāla/trokšņa attiecības palielināšana
  • Projekta rezultātu populārzinātniska pārskata demonstrēšana Eiropas Zinātnieku naktī 2021.