Identifikācijas numurs: lzp-2022/1-0454
Tips: Latvijas Zinātnes padomes fundamentālo un lietišķo pētījumu projekts
Projekta ilgums: 01.04.2023 – 31.03.2026
Projekta vadītājs: Dr.Phys. Mārtiņš Zubkins, Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts
Kopējais finansējums: 300 000 EUR
Projekta mērķis:
Izstrādāt progresīvu metāla hidrīda un borhidrīda plāno kārtiņu uzklāšanas tehnoloģiju un pētīt uzklāšanas procesa parametru ietekmi uz kārtiņu struktūru un īpašībām.
Projekta kopsavilkums:
Reaktīvās lielas jaudas impulsu magnetronās izputināšanas (r-HiPIMS) tehnoloģijai ir milzīgs potenciāls tādu pārklājumu ražošanā, kuru īpašības ir augstvērtīgākas par šī brīža attīstības līmeni. Pieejamās pētniecības darbības HiPIMS tehnoloģijas attīstībā galvenokārt ir bijušas par metālu (Ar plazma), metāla oksīdu (Ar+O2) un metāla nitrīdu (Ar+N2) uzklāšanu, bet metāla hidrīdu (Ar+H2) izgatavošana vēl nav demonstrēta. Metāla hidrīdi (MHx) un boro-hidrīdi M(BH4)x ir daudzsološa un svarīga materiālu klase, jo tiem ir potenciāls ūdeņraža uzglabāšanā un viedajā enerģētikā, ciktāl ūdeņraža uzglabāšana būs galvenā enerģijas izmantošanas tehnoloģija 21. gadsimtā. Arī lantanīdu hidrīdi (LnHx) ir unikāla materiālu klase ar bagātīgu fizikālo īpašību spektru. Projekta mērķis ir izgatavot MHx un M(BH4)x (M: sārmzemju metāls Mg, pārejas metāli Ti un Y, lantanīdi La un Eu) plāno kārtiņu formā, izmantojot r-HiPIMS, un veikt padziļinātu raksturojumu, izmantojot modernas laboratorijas metodes - XRD, XPS, SEM, TEM, Raman un UV-Vis-NIR spektroskopiju, un spektroskopisko elipsometriju. Projekta mērķis ir izpētīt saistību starp HiPIMS uzklāšanas parametriem (impulsu ilgumu, izputināšanas jaudu, spiedienu, pamatnes temperatūru) un ķīmisko sastāvu, īpašībām, struktūru un blīvumu. HiPIMS izputināšana ir izvēlēta kā uzklāšanas metode, jo to plaši izmanto gan zinātniskās laboratorijās, gan rūpniecībā ar iespējamu mērogojamību.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.01.2025. - 30.03.2025.)
Attiecīgajā laika periodā mēs izstrādājām plānās kārtiņas ar apvienotām fotohromām un antimikrobiālām īpašībām, izmantojot roll-to-roll (R2R) reaktīvo magnetrono izputināšanu – rūpnieciski pielāgojamu pārklāšanas metodi. Uz elastīgām plastmasas pamatnēm tika uzklātas itrija oksihidrīda (YHO) kārtiņas, kā arī divslāņu struktūras ar papildu vara kārtiņu.
Kārtiņas tika analizētas, lai novērtētu to kristālisko struktūru, virsmas morfoloģiju un optiskās īpašības. UV–violetā apgaismojumā pārklājumi parādīja atgriezenisku aptumšošanos, kas zuda pēc apgaismojuma pārtraukšanas. Vara slāņa pievienošana tika pētīta kā veids, kā piešķirt pārklājumiem antimikrobiālu funkcionalitāti, vienlaikus saglabājot optisko efektivitāti.
Sākotnējie rezultāti norāda, ka šādi multifunkcionāli pārklājumi varētu būt piemērojami gan viedajos logos, gan pašdezinficējošās virsmās, apvienojot gaismas caurlaidības kontroli ar virsmas higiēnas uzlabošanu. Pētījums apliecina YHO pārklājumu mērogošanas iespējas praktiskam lietojumam lielās platībās. Tiek gatavots zinātniskais raksts par šiem pētījumiem.
7. janvārī Latvijas Zinātnes padome pieņēma lēmumu apstiprināt jaunu pētniecības pieteikumu “Mērogojamu uzklāšanas tehnoloģiju attīstīšana nākamās paaudzes jaukto anjonu plānajām kārtiņām”, Nr. 1.1.1.9/LZP/1/24/011 (PostDoc Latvia), kas nodrošinās esošā projekta rezultātu un zināšanu turpmāku attīstību.
29. janvārī tika publicēts raksts Vibrational properties of photochromic yttrium oxyhydride and oxydeuteride thin films žurnālā (8. attēls) Journal of Alloys and Compounds, 1015 (2025) 178917. Pētījums veikts sadarbībā ar Latvijas Organiskās sintēzes institūtu.
29. janvārī un 18. februārī M. Zubkins referēja par jaunākajiem projekta rezultātiem attiecīgi zinātniskajā seminārā Plānās kārtiņas un Zemas dimensijas struktūras (LU CFI) un SWEB projekta koordinācijas un virzības sanāksmē. 11. februārī viņš tiešsaistē prezentēja stenda referātu “Photochromic oxygen-containing yttrium hydride (YHO) and YHO/MoO3 coatings: synthesis, structural analysis, and hydrogen diffusion studies” pirmajā starptautiskajā konferencē 1st Conference on Hydrogen in Materials Science and Engineering (H2 MSE).
4. martā E. Ļetko un E. Strods uzstājās gadskārtējā CFI konferencē ar referātiem “Deposition of photochromic YHO thin films by magnetron sputtering and their characterization” un “Optical and photochromic properties of YHO/MoO3 thin films” attiecīgi.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.10.2024. - 31.12.2024.)
Attiecīgajā laika periodā tika izgatavotas vairākas itrija oksihidrīda kārtiņu paraugu sērijas, kurās tika variēti izputināšanas atmosfēras apstākļi. Pārklājumi tika uzklāti uz stikla un silīcija, izmantojot reaktīvās pulsējošās līdzstrāvas (pulsed-DC) magnetrona izputināšanas režīmu. Lai precīzāk kontrolētu izputināšanas procesu un paaugstinātu izgatavoto pārklājumu atkārtojamību, magnetronā izputināšanas iekārtā tika ierīkota optiskās emisijas spektrofotometrija. Izgatavoto kārtiņu fotohromisms, struktūra un optiskās īpašības tika pētītas ar rentgenstaru difrakciju, elipsometriju, optisko spektrafotometriju un pašbūvētu fotohromo īpašību mērīšanas sistēmu. Pēc optimizācijas tika novērotas mikrostruktūras un fotohromo īpašību izmaiņas- pastiprināta pārklājumu nokrāsošanās un kontrasts. Novērotās mikrostruktūras izmaiņas korelē ar izmaiņām fotohromajās īpašībās.
7. novembrī M. Zubkins nolasīja referātu “Magnetron sputtering deposition and characterisation of photochromic yttrium oxyhydride and ga-based oxide thin films” SWEB projekta industrijas dienā par moderniem viedajiem logiem.
12. decembrī E. Strods piedalījās starptautiskajā konferencē RSD 2024, kas norisinājās Gentē, Beļģijā. Tās laikā tika prezentēts stenda referāts “Optical and photochromic properties of yttrium oxyhydride thin films deposited by reactive magnetron sputtering”, kurā tika demonstrēti šajā projektā iegūtie rezultāti. Par šo prezentāciju tika piešķirta balva “Best Poster Presentation” (Attēls 7.). Konferences laikā tika nodibināti jauni kontakti ar pārstāvjiem no uzņēmumiem “Solares” un “Robeko”, kā arī ar zinātniekiem no Gentes un Rietumbohēmijas Universitātēm.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.07.2024. - 30.09.2024.)
Attiecīgajā laika periodā tika izgatavotas vairākas paraugu sērijas, kurās tika apvienotas itrija oksi-hidrīda (YHO) un molibdēna trioksīda (MoO3) plānās kārtiņas. Minētajās paraugu sērijās tika variēti MoO3 kārtiņas izgatavošanas parametri - uzklāšanas laiks, darba spiediens, skābekļa plūsma. Pārklājumi tika uzklāti uz diva tipa pamatnēm- stikla un silīcija. Gan YHO, gan MoO3 kārtiņas tika uzklātas reaktīvajā pulsējošā līdztravas (pulsed-DC) magnetrona izputināšans režīmā. Izgatavoto kārtiņu fotohromisms, sastāvs, struktūra un optiskās īpašības tika pētītas ar rentgenstaru difrakciju, skenējošo elektronu mikroskopiju, optisko spektrofotometriju, elipsometriju, profilometriju, rentgenstaru fotoelektronu spektrometriju un pašbūvētu fotohromo īpašību mērīšanas sistēmu. Iegūtie rezultāti uzrāda, ka starp YHO un MoO3 kārtiņām pastāv sinerģētisks, fotohromo mehānismu pastiprinošs efekts. MoO3 kārtiņas parametri - biezums, blīvums, skābekļa vakanču daudzums - būtiski ietekmē YHO/MoO3 struktūras UV starojuma inducēto gaismas absorbciju. 6. attēlā ir redzams, ka kombinētajai YHO/MoO3 kārtiņai, salīdzinot ar nepārklātu YHO, ir būtiski pastiprināts UV starojuma inducētais nokrāsošanās ātrums. Abiem pārklājumiem (gan YHO, gan YHO/MoO3) ir līdzīga sākotnējā gaismas caurlaidība (≈ 75%). Uz iegūto rezultātu pamata tika izstrādāts un aizstāvēts maģistra darbs. Tiek gatavots zinātniskais raksts par šiem pētījumiem.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.04.2024. - 30.06.2024.)
Jauna itrija oksihidrīda (YHO) kārtiņu paraugu sērija tika izgatavota uz stikla pamatnēm, variējot izgatavošanas temperatūru starp istabas temperatūru un 400°C. Ir konstatēts, ka pamatnes temperatūra būtiski izmaina optimālos parametrus, kas nodrošina augstvērtīgas fotohromās īpašības – lielu fotohromo kontrastu un atkrāsošanās ātrumu. Pētījumi turpinās, lai noskaidrotu, vai izgatavošanas temperatūrai ir būtiska ietekme uz fotohromām īpašībām pie optimāliem izgatavošanas parametriem. Paraugiem ir veikti gan rentgenstaru difrakcijas (XRD), gan optiskās (UV-Vis-NIR) spektroskopijas mērījumi, kā arī apstarošana ar saules simulatoru, lai iegūtu kvantitatīvas fotohromā efekta vērtības. Šajā aktivitātē ir pievienojušies skolēni no Rīgas Valsts 1. ģimnāzijas, lai izstrādātu zinātniski pētniecisko darbu.
7. maijā tika nolasīts referāts “Yttrium oxyhydride thin films: synthesis, optical, and photochromic properties” par rezultātiem, kas iegūti šajā projektā, starptautiskā zinātniski tehniskā konferencē TechCon 2024, Čikāgā, ASV (Attēls 5).
3. un 4. jūnijā starptautiskās vasaras skolas ietvaros LU CFI “Advanced Materials for Chromogenic Device Applications and Thin Films: Synthesis and Characterization” M. Zubkins nolasīja lekciju “Physical vapour deposition (PVD) method: Magnetron Sputtering” un vadīja laboratorijas darbus.
10. jūnijā E. Ļetko ar izcilību (atzīme 10) aizstāvēja Bakalaura darbu ar nosaukumu “Fotohromo YHO plāno kārtiņu izgatavošana ar magnetrono izputināšanu un to izpēte” Latvijas Universitātes, Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē, fizikas nodaļā.
Ir iesniegts zinātnisks raksts par svārstību pētījumiem YHO un ar deitēriju marķētās YDO kārtiņās.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.01.2024. - 30.03.2024.)
Attiecīgajā laika periodā tika izgatavotas YHO plānās kārtiņas pie dažādiem izptutināšanas spiedieniem (3, 5, 9 mTorr) dažādos režīmos: pulsed-DC, HiPIMS bez pamatnes pretsprieguma un HiPIMS ar dažādām pamatnes prestprieguma konfigurācijām (sinhronizāciju). Vidējā enerģija, ar kuru joni bombardē augošo kārtiņu, ir tieši proporcionāla elektriskā potenciāla starpībai starp pamatni un plazmu, kas nozīmē, ka, var mainīt jonu enerģiju un plānās kārtiņas mikrostruktūru. Kā tika noskaidrots iepriekš, HiPIMS vai pulsed-DC režīma izvēle YHO plāno kārtiņu izgatavošanai būtiski ietekmē to struktūru (4. attēls) un fotohromas īpašības. Eksistē vairāki pretsprieguma konfigurācijas veidi, kas ir saistīts ar to, ka metāla joni un gāzes joni HiPIMS izlādē neveidojas vienlaikus. Sākoties augstas jaudas impulsam, gāzes jonu skaits pieaug gandrīz momentāli, bet metālu jonu – pēc kāda laika. Vēlāk metāla jonu koncentrācija pārsniedz gāzes jonu koncentrāciju gāzes retināšanas dēļ. Lai visefektīvāk pielietotu pamatnes pretspriegumu, ir nepieciešams sinhronizēt to ar HiPIMS izlādes impulsiem un paātrināt tikai noteiktus jonus. Šīs sērijas ietvaros tika izgatavoti paraugi pie šādām pretsprieguma konfigurācijām: līdzstrāvas pretspriegums, prestpriegums sinhronizēts ar HiPIMS impulsu un nobīdīts laikā pusfāzē. Iegūto plāno kārtiņu mikrostruktūra tika pētīta 7 dienu laikā, izmantojot rentgenstaru difrakciju (XRD).
Attiecīgajā laika periodā tika izgatavotas dažādas paraugu sērijas - YHO pulsed-DC un HiPIMS režīmā, YHO/MoO3 un YHO pie paaugstinātas temperatūras - sastāva mērījumiem, kuri tika veikti Upsalas Universitātes Tandem laboratorijā.
11. martā M. Zubkins prezentēja rezultātus par YHO HiPIMS kārtiņām tiešsaistes seminārā HiPIMS Today 2024.
19. janvārī E. Strods ar izcilību (atzīme 10) aizstāvēja Maģistra darbu ar nosaukumu “MoO3 kārtiņas ietekme uz YHO/MoO3 struktūras UV starojuma inducēto gaismas absorbciju” Rīgas Tehniskajā universitātē, Mašīnzinību, transporta un aeronautikas fakultātē, Biomedicīnas inženierzinātņu un nanotehnoloģiju institūtā.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.10.2023. - 31.12.2023.)
Attiecīgajā laika periodā mēs sagatavojām itrija oksihidrīda (YHO) un ar deitēriju marķēta oksideutērīda (YDO) plānās kārtiņas, izmantojot reaktīvo magnetrono izputināšanu, kam sekoja kontrolēta oksidēšana. Šie fotohromie materiāli maina savu gaismas caurlaidību UV apgaismojumā, padarot tos piemērotus viedajiem logiem.
Lai izprastu šo materiālu struktūru un īpašības, mēs izmantojām modernas analīzes metodes, tostarp rentgenstaru difrakciju (XRD), cietvielu kodolmagnētisko rezonansi (ssNMR) un Furjē transformācijas infrasarkano (FTIR) spektroskopiju. FTIR mērījumi, kas pirmo reizi tika veikti tālajā infrasarkanajā reģionā šiem materiāliem (3. attēlā), atklāja plašas vibrāciju joslas, norādot uz strukturālu nesakārtotību. Aizvietojot ūdeņradi ar deitēriju, tika skaidri identificētas vibrācijas, kas saistītas ar ūdeņraža atomiem.
Eksperimentālie dati un teorētiskie aprēķini apstiprināja, ka plānās kārtiņas sastāv no kubiskās struktūras nanokristalītiem ar lokālām atšķirībām sastāvā un saišu vidē. Pēc ultravioletā apgaismojuma materiāli absorbēja vairāk infrasarkanā starojuma, bet struktūras izmaiņas netika konstatētas. Šie rezultāti palīdz labāk izprast materiālu uz YHO bāzes vibrācijas un fotohromiskās īpašības un veicina to izmantošanu gaismas jutīgos pārklājumos nākotnē.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.07.2023. - 30.09.2023.)
Attiecīgajā laika periodā tika izgatavotas divas itrija oksihidrīda plāno kārtiņu sērijas: r-HiPIMS režīmā un reaktīvajā pulsējošā līdztravas (pulsed-DC) magnetrona izputināšans režīmā. Pārklājumi tika izgatavoti uz diva tipa pamatnēm: stikla un silīcija. Itrija oskihidrīda plānās kārtiņas tika iegūtas, putinot YH2 plānās kārtiņas reaktīvā atmosfērā (Ar+H2) no itrija mērķa un oksidējot gaisā pēc procesa beigām. Abām sērijām tika atrasti putināšanas parametri, ar kuriem ir iespējams iegūt caurspīdīgus pārklajumus, kuru struktūra atbilst YHO un kuriem piemīt fotohromais efekts pēc apstarošanas ar ultravioleto gaismu. HiPIMS režīmā ir nepieciešams lielāks spiediens nekā pulsed-DC. Ar spektrometru tika novērotas optisko īpašību izmaiņas laika gaitā, kuras liecina par plāno kārtiņu oksidācijas turpināšanos, sastāva un struktūras izmaiņām vēl vairākas dienas pēc procesa. Tika izpētīta izvēlētā putināšanas režīma un putināšanas parametru (spiediena, laika, temperatūras) ietekme uz plāno kārtiņu struktūru (kirstalītu izmērs, režģa parametrs) un optiskajām īpašībām (caurlaidība, optiskā aizleigtā zona). YHO pārklājuma izgatavota r-HiPIMS režīmā pie putināšanas spiediena 8.5 mTorr un pulsējoša līdztrāvas režīmā pie spiediena 5.1 mTorr rentgenstaru difraktogrammas ir redzamas 2. attēlā. Abu pārklājumu biezumi ir aptuveni 550 nm. Fotohromās īpašības (fotohromais kontrasts, atkrāsošanas laiks) plānām kārtiņām tika novērtētas, tās periodiski apgaismojot ar ultravioleto starojumu un mērot caurlaidības izmaiņas. Lai novērtētu un salīdzinātu abu metožu ietekmi uz pārklājumu delaminācijas ātrumu, plāno kārtiņu virsmas izmaiņas laika gaitā tiek novērotas ar optisko mikroskopu.
PAR PROJEKTA ĪSTENOŠANU (LAIKA POSMS 01.04.2023. - 30.06.2023.)
Attiecīgajā laika periodā tika veiksmīgi sagatavota vakuuma fizikālo tvaiku uzklāšanas iekārta, lai realizētu reaktīvo augstas jaudas impulsu magnetrono izputināšanu (r-HiPIMS). Iekārta ir aprīkota ar magnētiski balansētiem magnetroniem un nepieciešamajām procesa gāzēm – Ar un H2. Ir veikti sākotnējie eksperimenti ar itrija (Y) mērķi, izputinot to gan inertā (Ar), gan reaktīvā (Ar+H2) atmosfērā. Iekārtai ir pievienots HiPIMS jaudas avots kombinācijā ar augstas laika izšķirtspējas spektrometru, lai detektētu plazmas emisijas līniju intensitāšu izmaiņu impulsā. 1. attēlā ir redzams ierosināto Y atomu (Y*) un jonu (Y+) emisijas intensitāšu izmaiņas piemērs 50 µs izputināšanas impulsa laikā. Gan izlādes strāvas pīķa vērtība 105 A, gan intensīvā emisija no Y+ atbilst HiPIMS režīmam. Emisijas līniju intensitāte ir tieši atkarīga no attiecīgo daļiņu koncentrācijas plazmā un sniedz būtisku informāciju turpmākai procesa optimizācijai. Pirmās itrija hidrīda (YH2) un oksihidrīda (YHO) plānās kārtiņas uz stikla pamatnēm ir izgatavotas ar r-HiPIMS processu.
Ir uzsākts visaptverošs YHO un ar anjonu marķētu oksideiterīda (YDO) plāno kārtiņu vibrāciju īpašību pētījums, lai iegūtu papildus informāciju par struktūru un fotohromo efektu.
