Plāno kārtiņu laboratorija

Plāno kārtiņu laboratorija (PKL) ir izveidota 2017. gadā, lai paplašinātu institūta (LU CFI) darbību plāno kārtiņu zinātnes un tehnoloģiju jomā. Kārtiņu uzklāšanas tehnikas ietver iztvaicēšanu (termisko, e-kūļa un pulsējoša lāzera depozīciju) un magnetrono izputināšanu (DC, pulsed-DC, RF, HiPIMS). Vairākas uzklāšanas tehnikas ir integrētas daudzfunkcionālajā klasteriekārtā, kas attīstīta un izgatavota uzņēmumā SIA Sidrabe Vacuum. Tiek izmantotas arī vairākas atsevišķas magnetronās izputināšanas un iztvaicēšanas iekārtas.

PKL laboratorija aktīvi sadarbojas ar plašāko vakuuma tehnoloģijas industriju (SIA SIDRABE VACUUM., SIA SCHAEFFLER BALTIC, SIA GROGLASS, AS ALFA) Baltijas valstīs. Pēdējos gados attīstītās plāno kārtiņu uzklāšanas tehnikas LU CFI tiek plaši izmantotas EU FP6 (X-TIP) un FP7 (EUROFusion CfP-WP15-ENR-01/UL-01) projektu ietvarā, kā arī VBB kompetences centra pētījumos. Papildus standarta magnetronai izputināšanai augstas jaudas impulsu magnetronās izputināšanas (HiPIMS) procesi ir attīstīti LU CFI, izmantojot pulsējošu un augsti jonizētas plazmas avotu, lai uzklātu kārtiņas ar modificētām materiāla īpašībām.

Labortorija sniedz plāno kārtiņu uzklāšanas servisu no plaša neorganisko materiālu klāsta, izmantojot dažādas uzklāšanas tehnikas un iekārtas ­­– daudzfunkcionālo PVD R&D vakuuma klasteriekārtu SAF25/50, HiPIMS G500M, PLD, MOCVD un ALD. Iekārtas darbina augsti kvalificēts personāls, nodrošinot jaunu materiālu izgatavošanu pēc iekšējo projektu un ārējo klientu prasībām.

Daudzfunkcionālā R&D vakuuma klasteriekārta SAF25/50 (uzstādīta CFI tīrtelpās – ISO klase 7-8). Iekārta ir paredzēta pētniecībai un attīstības darbiem, kā arī priekšizpētei un akadēmiskam darbam plāno kārtiņu tehnoloģijas jomā. Iekārta ir daudzfunkcionāla, paplašināma, elastīga moduļu sistēma. Tā sastāv no ielādes/izlādes kameras ar jonu lielgabalu, centrālās kameras ar pamatnes pārneses manipulatoru starp 7 procesa kamerām un vakuumapstrādes skapja. Iekārta ir aprīkota ar DC, pulsed-DC, RF un HiPIMS magnetronu jaudas avotiem, e-kūļa lielgabalu, procesa kontroli, izmantojot Optisko Emisijas Spektroskopiju (OES), augsta spiediena kvadrupola gāzu analizatoriem un in-situ kārtiņu raksturošanu ar elipsometru. Divu HiPIMS avotu un divkanālu OES sistēmas ar augstu laika izšķirtspēju procesa kontrolei uzstādīšana šobrīd ir procesā. Izmantojot HiPIMS priekšrocības, būs iespējams attīstīt sarežģīta sastāva kārtiņu un/vai daudzslāņu struktūru uzklāšanas metodes.

PLD tiks uzstādīta un attīstīta tuvā nākotnē, lai izgatavotu plānās kārtiņas un heterostruktūras no dažādiem materiāliem ar sarežģītu stehiometriju. PLD nodrošinās “one-to-one” elementu pārnesi no mērķa uz pamatni, kas ir liela priekšrocība vairāku elementu struktūru uzklāšanā. Dažādas uzklāšanas atmosfēras sniedz iespēju variēt kārtiņu īpašības plašā diapazonā. Viens no plānotajiem PLD pielietojumiem ir nanovadu kodola-apvalka heterostruktūras, kur kodols ir monokristālisks pusvadītājs (piemēram, ZnS, ZnO vai GaN nanovads) un apvalks ir slāņains VdW materiāls piederošs pie TMDs materiālu grupas (piemēram, MoS₂, WS₂, ReS₂, u.c.). Šāda tipa heterostruktūru materiāli ir perspektīvi plašam pielietojumu klāstam, sākot no sensoriem līdz fotokatalītiskai ūdens sadalīšanai. MOCVD reaktors AIXTRON (AIX-200RF) ir pieejams, lai sintezētu plānās kārtiņas, izmantojot metālus, šķidros metāla organiskos savienojumus, gāzveida nemetāla ķīmiskos hidrīdus un oksīda gāzes. Reaģentu plūsmu kontrole tiek nodrošināta, lietojot termostatus šķidrajiem metāla-organikas savienojumiem un nesējgāzu (N₂, H₂) plūsmas. Nemetālu ķīmisko hidrīdu gāzu plūsmas kontrole ietver gan nesējgāzes, gan prekursora plūsmas. Aprīkojums tiks renovēts, lai sintezētu klasiskās LED struktūras, kā arī Ga₂O₃, ZnO-MgO un III grupas nitrīdu 1D nanostruktūras. Ir iespēja leģēt materiālus, lai iegūtu n- vai p- vadītspēju. MOCVD aprīkojums tiek lietots, lai manipulētu ķīmiskos reaģentus, veidojot dažādas 1D, 2D un hibrīdu struktūras.

Aktīvie projekti:

ERAF

Funkcionālas platzonas gallija oksīda un cinka gallāta plānas kārtiņas un jaunas uzklāšanas tehnoloģijas (2021-2023)

Liela laukuma daudzfunkcionālu antibakteriālu un antivirālu nano-pārklājumu uzklāšanas tehnoloģijas (2022-2023)

Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas (2019-2022)

LZP granti

Epitaksiālas Ga2O3 plānas kārtiņas kā platzonas topoloģiski caurspīdīgi elektrodi ultravioletai optoelektronikai (2021-2023)

Kodola-apvalka nanovadu heterostruktūras no lādiņa blīvuma viļņu materiāliem optoelektronikas pielietojumiem (2021-2023)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Portatīvā diagnostikas ierīce bāzēta uz biosensoru masīva no 2D materiāla uztveres elementiem (2021-2023)

Realizētie projekti:

Apvārsnis 2020

Etilēna oksīda CO2 – balstīta elektrosintēze - CO2EXIDE (2018-2021)

COST starptautiskie projekti

Augsti jonizētas impulsa plazmas procesi (HIPP procesi) (2010-2013)

Eiropas komisijas ietvara programmas

EK 6. IP "X-TIP" Project (2004-2007)

ERAF

Nanovadu fotodetektori (2020)

Inovatīvi stiklu pārklājumi (2010-2013)

ERAF projekti (LIAA administrētie)

Daudzslāņu atstarojošas safīra pamatnes efektīvākām zilām-baltām LED (2020)

Mikroapstrādātas silīcija pamatnes ASM, SEM un TEM nanomehāniskiem eksperimentiem (2018)

ESF projekti

Inovatīvi materiāli caurspīdīgai elektronikai un fotonikai (2013-2015)

Nanomateriāli perspektīviem energoefektīviem risinājumiem (2009-2012)

EUROfusion

When and how ODS particles are formed? - X-ray Absorption Spectroscopy and ab initio modelling of ODS steels (2015-2017)

Francijas–Latvijas sadarbības programma „OSMOZE”

Nanostrukturētie testa paraugi, kas paredzēti apvienota tuvā lauka mikroskopijai (2012-2013)

Strukturētas ftalocianīna kārtiņas sensoru lietojumiem (2012-2013)

LZP granti

Retzemju metālu oksi-hidrīdu plānās kārtiņas fotohromiem pielietojumiem (2020-2021)

Metālu hidrīdu rentgena absorbcijas pētījumi ekstrēma spiediena apstākļos (2018-2020)

Funkcionālo materiālu lokālās struktūras XAFS pētījumi ar femtometru precizitāti (2013-2016)

Struktūra nanooksīdu savienojumos un pašorganizācija stohastiskajās vidēs (2009-2012)

Valsts pētījumu programmas

Drošu tehnoloģiju integrācija aizsardzībai pret Covid-19 veselības aprūpes un augsta riska zonās (2020-2020)

Latvian Science’s Top 10 Achievements:  2013, 2014 and 2015 (A new magnetron sputtering technology and a new multifunctional R&D cluster tool for thin films manufacturing including transparent conductive coatings)

Latvian Academy of Science award: Acad. E. Silina prize (2009)

Rome International Center for Materials Science of Superstripes "Fibonacci" prize (2016)

http://www.ilustretazinatne.lv/content/stikls-klust-aizvien-viedaks

Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI) piedalās Starptautiskā kodoltermiskā eksperimentālā reaktora ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) projektā. ITER mērķis ir pierādīt kodolsintēzes kā enerģijas avota pielietojamību, kā arī iegūt informāciju un izstrādāt risinājumus nākamo paaudžu kodolsintēzes reaktoriem, kas tiks izmantoti elektroenerģijas ražošanai.

Eiropā pie ITER projekta izstrādes darbojošās organizācijas, tostarp LU CFI, ir apvienojušās EUROfusion konsorcijā. LU CFI ir koordinējošā organizācija EUROfusion projekta CfP-WP15-ENR-01/UL-01 (When and how ODS particles are formed? - X-ray Absorption Spectroscopy and atomic-scale modelling of ODS steels) realizācijā.

Viens no izaicinājumiem ITER un tam sekojošo kodolsintēzes projektu realizācijā ir jaunu materiālu izstrāde, kas būtu piemēroti ekspluatācijai ekstremālos apstākļos, kādi paredzēti pēc Tokomak principa strādājošos reaktoros. LU CFI realizētā projekta galvenais pētījumu objekts ir radiācijas un termiski izturīgi ODS (oxide dispersed steels) tēraudi – dzelzs un hroma sakausējumi, kuros t.s. pulveru metalurģijas ceļā iestrādātas oksīdu (galvenokārt itrija un titāna oksīda) nanodaļiņas. Ir zināms, ka šiem tēraudiem ir liels potenciāls pielietošanai ekstrēmos apstākļos: oksīdu nanodaļiņu pievienošana uzlabo tērauda materiāla mehānisko izturību augstās temperatūrās, kā arī to noturību pret radiāciju. Līdz ar to ODS tēraudi tiek uzskatīti par perspektīvu materiālu kodolsintēzes reaktoru daļu, kas atrodas saskarē ar sakarsēto plazmu, izbūvei.

LU CFI realizētais projekts notiek sadarbībā ar Karlsrūes Tehnoloģiju institūtu (Karlsruhe Institute of Technology – KIT, Vācija) un tā mērķis ir uzlabot izpratni par ODS daļiņu veidošanas un to iestrādes tērauda matricā procesiem, izmantojot rentgenabsorbcijas spektroskopijas, dažādu līmeņu teorētiskās modelēšanas un augstas veiktspējas datorsistēmu piedāvātās iespējas. Projekta ietvaros starptautiskos sinhrotronā starojuma centros ir paredzēts veikt rentgenabsorbcijas mērījumus KIT iegūtajiem ODS tēraudu paraugiem un LU CFI izgatavotajiem modeļmateriāliem (plānām kārtiņām), tādējādi iegūstot unikālu informāciju par dažādu tipu atomu lokālo apkārtni ODS tēraudos, kā arī par ODS daļiņu atomāro un elektronisko struktūru. Papildus, izmantojot mūsdienīgas atomārā līmeņa skaitliskās modelēšanas pieejas, ir paredzēts labāk izprast ODS daļiņu mijiedarbību ar tērauda matricu un detalizēti izsekot ODS daļiņu veidošanas procesam.

Projektā, kas norit Dr. habil. phys. Jura Purāna vadībā, ir iesaistīti darbinieki no LU CFI EXAFS spektroskopijas laboratorijas un Teorētiskās fizikas un datormodelēšanas nodaļas.

Projektam piešķirtais finansējums 3 gadiem Latvijas pusei ir 525 000 EUR.

Pieteikums ir sagatavots ar ERAF projekta Nr. 2015/0014/2DP/2.1.1.2.0/14/APIA/VIAA/010 atbalstu

Video sižets par EUROfusion konsorciju un šo LU CFI realizēto projektu.

Latvijā:

• Sidrabe Vacuum SIA, www.sidrabe.com;

Zviedrijā:

• Uppsala University (UU), Uppsala (Prof. Lars Österlund, Prof. Claes-Göran Granqvist);

Itālijā:

• Fondazione Bruno Kessler, (FBK), Trento;
• Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – LABORATORI NAZIONALI DI FRASCATI , http://w3.lnf.infn.it/

M. Zubkins, R. Kalendarev, J. Gabrusenoks, A. Plaude, A. Zitolo, A. Anspoks, K. Pudzs, K. Vilnis, A. Azens and J. Purans, Changes in structure and conduction type upon addition of Ir to ZnO thin films, Thin Solid Films 636 (2017) 694-701.

E. Butanovs, S. Vlassov, A. Kuzmin, S. Piskunov, J. Butikova, B. Polyakov, Fast-response single-nanowire photodetector based on ZnO/WS2 core/shell heterostructures. Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 13869−13876

S. V. Green, A. Kuzmin, J. Purans, C. G. Granqvist, G. A. Niklasson, Structure and composition of sputter-deposited nickel-tungsten oxide films, Thin Solid Films 519 (2011) 2062-2066.

C.G.Granqvist, G.A.Niklasson, A.Azens. Electrochromics: Fundamentals and energy-related applications of oxide-based devices. Appl. Phys. A89 (2007), pp29-35.

J.Purans, P.Fornasini, S. E. Ali, G Dalba, A.Kuzmin, X-ray absorption spectroscopy study of local dynamics and thermal expansion in ReO₃, F.Rocca, Phys. Rev. B 92 (2015) 014302:1-12.

S.Vlassov, B.Polyakov, L. M. Dorogin, M. Vahtrus, M. Mets, M.Antsov, R. Saar, A.E. Romanov, A.Lõhmus, and R.Lõhmus. Shape restoration effect in Ag-SiO2 core-shell nanowires. Nano Letters 14 (2014)  5201-5205.

B.Polyakov, A.Kuzmin, K. Smits, J. Zideluns, E. Butanovs, J. Butikova, S. Vlassov, S. Piskunov, Y. F. Zhukovskii. Unexpected Epitaxial Growth of a Few WS2 Layers on {1-100} Facets of ZnO Nanowires, J. Phys. Chem. C, 120 (2016) 21451-21459.

M. Zubkins, R. Kalendarev, J. Gabrusenoks, K. Vilnis, A. Azens, J. Purans. Structural, electrical and optical properties of zinc-iridium oxide thin films deposited by DC reactive magnetron sputtering. Phys. Status Solidi (C) 11 (2014) 1493-1496.

S. Larcheri, C. Armellini, F. Rocca, A. Kuzmin, R. Kalendarev, G. Dalba, R. Graziola, J. Purans, D. Pailharey, F. Jandard, X-ray studies on optical and structural properties of ZnO nanostructured thin films, Superlattices and Microstructures 39 (2006) 267-274.

S. Larcheri, F. Rocca, F. Jandard, D. Pailharey, R. Graziola, A. Kuzmin, J. Purans, X-ray excited optical luminescence detection by scanning near-field optical microscope: a new tool for nanoscience, Rev. Sci. Instrum. 79 (2008) 013702 (9 pp.).

J.Purans, 2015, Method and device for controlling reactive sputtering deposition, Patent Number: EP2881974-A1. Inventor(s): J.Purans.

J.Purans, 2015, Device and method for pvd process diagnostic using X-ray fluorescence local probe. Patent Number: EP2881973-A1, Inventor(s): J. Purans.

D.Tonneau, J.Purans, C.Fauquet, F.Jandard, A.Erko, A.Bjeoumikov, 2013 "Device for topographical characterisation and chemical mapping of surfaces". Patent Number: EP2577325.

https://www.youtube.com/watch?v=mID0a-bU7ow

http://www.kimijas-sk.lv/index.php/aktualitates-kimijas-jaunumi/item/810-lu-cietvielu-fizikas-instituts-izstrada-risinajumus-nakamo-paaudzu-kodolsintezes-reaktoriem

Laboratorijas mājaslapa