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.

Laboratorija 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:

Apvārsnis Eiropa

Drošāki un uzticamāki WBG/UWBG-materiālu MVDC jaudas pārveidotāji (SAFEPOWER) (2024-2028)

Viedie logi nulles enerģijas ēkām (2023-2027)

Robota ķermeņa uztvere viedai kontrolei un drošai cilvēka un robota mijiedarbībai (Sestosenso) (2022-2025)

ERAF

Pārklājuma tehnoloģijas no Ruļļa uz Ruļļa attīstība Viedajiem Logiem un Antimikrobiālajiem Pārklājumiem (R2R-SWAC) (2025-2028)

Saules akli UV-C fotodetektori no amorfu ultraplatzonas pusvadītāju plānām kārtiņām (GoFarUV) (2025-2028)

Viedie logi ar jauktiem termohromiem un fotohromiem pārklājumiem un uzlabotu pretatstarošanas funkcionalitāti (SWITCH) (2025-2028)

LZP granti

Inovatīvas retzemju metālu oksihidrīdu plānās kārtiņas: jaunu lietojumu izpēte (2025-2027)

Jaunas plānās kārtiņas uz metāla hidrīda bāzes elektronikas un enerģētikas tehnoloģijām (2023-2026)

Kritiskās temperatūras paaugstināšana MgB2-saturošās supravadošās nanovadu sistēmās ar iekšējo spriegumu palīdzību (2023-2025)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Viedie logi rītdienai: nanodaļiņu hibrīda pārklājumi, kas apvieno fotohromās un termohromās tehnoloģijas (2025-2028)

Mērogojamu uzklāšanas tehnoloģiju attīstīšana nākamās paaudzes jaukto anjonu plānām kārtiņām (2025-2028)

Eiropas Kosmosa aģentūras Latvijas nacionālā programma

Amorfa gallija oksīda metāla–pusvadītāja–metāla fotodetektoru masīvu izpēte saules aklai UVC gaismas detektēšanai (2025-2026)

Realizētie projekti:

Apvārsnis 2020

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

Apvārsnis 2020 - EUROfusion

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

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

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)

Nanovadu fotodetektori (2020-2020)

Inovatīvi stiklu pārklājumi (2010-2013)

ERAF projekti (LIAA administrētie)

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

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

ESF projekti

Inovatīvi materiāli caurspīdīgai elektronikai un fotonikai (2013-2015)

Nanomateriāli perspektīviem energoefektīviem risinājumiem (2009-2012)

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

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)

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)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

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

• Dr. phys. Boris Polyakov, one of the leading researchers of Thin Films Laboratory, was elected as a corresponding member of the Academy on November 21, 2024.

   

• The Latvian Academy of Sciences has concluded the evaluation of applications submitted for the competition for the most significant scientific achievements in Latvia in 2024.
  In the section “Theoretical Science – Fundamental Research” in the field of theoretical physics, the research “Tomorrow’s Energy: Unlocking the Potential of Graphene, Batteries, Superconductivity and Photocatalysis” has been nominated as the most significant achievement of the year, the authors of which are LAS Academician Roberts Eglītis, LAS Academician Juris Purāns, LAS Corresponding Member Anatolijs Popovs from the Institute of Solid State Physics of the University of Latvia and Dr. Ran Jia from Jilin University in China.

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/

• Polyakov, B.; Kadiwala, K.; Butanovs, E.; Dipane, L.; Trausa, A.; Bocharov, D.; Vlassov, S. Synthesis of ZnS/Al₂O₃/TaSe₂ Core/Shell Nanowires Using Thin Ta Metal Film Precursor. ChemEngineering 2024, 8, 25. https://doi.org/10.3390/chemengineering8010025

   

• Butanovs E., Zubkins M., Strods E., Vibornijs V., Kadiwala K., Ignatane L., Polyakov B., Vlassov S., Purans J. Impact of temperature and film thickness on α- and β- phase formation in Ga2O3 thin films grown on a-plane sapphire substrate. Thin Solid Films. 2024. 803. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2024.140467.

   

• Kadiwala, K.; Dipane, L.; Dipans, E.; Bundulis, A.; Zubkins, M.; Ogurcovs, A.; Gabrusenoks, J.; Bocharov, D.; Butanovs, E.; Polyakov, B. Synthesis and Investigation of ReSe2 Thin Films Obtained from Magnetron Sputtered Re and ReOx. Crystals 2024, 14, 690. https://doi.org/10.3390/cryst14080690

   

• Zubkins M., Vibornijs V., Strods E., Butanovs E., Bikse L., Ottosson M., Hallén A., Gabrusenoks J., Purans J., Azens A. Deposition of Ga2O3 thin films by liquid metal target sputtering. Vacuum. 2023. 209. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111789.

   

• Zubkins M., Vibornijs V., Strods E., Aulika I., Zajakina A., Sarakovskis A., Kundzins K., Korotkaja K., Rudevica Z., Letko E., Purans J. A stability study of transparent conducting WO3/Cu/WO3 coatings with antimicrobial properties. Surfaces and Interfaces. 2023. 41. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103259.

   

• Zubkins M., Strods E., Vibornijs V., Sarakovskis A., Nedzinskas R., Ignatans R., Butanovs E., Purans J., Azens A. Deposition and photoluminescence of zinc gallium oxide thin films with varied stoichiometry made by reactive magnetron co-sputtering. Journal of Alloys and Compounds. 2024. 976. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.173218.

   

• Vibornijs, V.; Zubkins, M.; Strods, E.; Rudevica, Z.; Korotkaja, K.; Ogurcovs, A.; Kundzins, K.; Purans, J.; Zajakina, A. Analysis of Antibacterial and Antiviral Properties of ZnO and Cu Coatings Deposited by Magnetron Sputtering: Evaluation of Cell Viability and ROS Production. Coatings 2024, 14, 14. https://doi.org/10.3390/coatings14010014

   

• Polyakov B., Novikovs A., Leimane M., Kadiwala K., Zubkins M., Butanovs E., Oras S., Damerchi E., Zadin V., Vlassov S. Comparison of the resistivities of nanostructured films made from silver, copper-silver and copper nanoparticle and nanowire suspensions. Thin Solid Films. 2023. 784. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2023.140087.

• A photochromic double layer coating with enhanced contrast and darkening speed. E.Strods, M.Zubkins, J.Purāns. LVP2024000039. 2024. 

• An antimicrobial multilayer thin-film materials coating. V. Skvorcova, M. Zubkins, J. Purans, V. Vibornijs, E. Strods, I. Aulika. EP4421207A1. 2025.

• An optical tactile and pressure sensor. I. Aulika, K. Kundzins. LVP2024000016. 2025. 

• A method for deposition of yttrium monoxide film and yttrium monoxide coating. Halil Arslan. EP4033003A1.

• Ierīce vakuuma pārklājumu izgatavošanai. J. Purāns, A. Āzens , M. Zubkins. 2024. LV15606.

• A method for high power impulse magnetron sputtering deposition of rhenium oxide thin films. Zubkins Mārtiņš; Poļakovs Boriss; Šarakovskis Anatolijs; Purāns Juris. LV15743A