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

Projekts Nr. 1.1.1.1/18/A/073

Projekta  ilgums: 01.03.2019. – 28.02.2022.

Projekta zinātniskais vadītājs: Dr.hab.phys. Juris Purāns

Projekta īstenotāji: Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts sadarbībā SIA “Sidrabe Vakuum”

2019.gada 15.martā Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI) un Centrālā finanšu līgumu aģentūra parakstīja vienošanos par Eiropas Savienības fonda projekta “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas ” (Projekts) īstenošanu.

Projekta mērķis ir izstrādāt jaunus reaktīvas augsti jonizētas impulsu magnetronu izsmidzināšanas (HiPIMS) tehnoloģijas, lai izgatavotu viedos pārejas metālu oksīdu daudzslāņu nanopārklājumus caurspīdīgās elektronikas (TCO) un elektrohromo (EH) materiālu pielietojumiem, lai atīstītu “roll-to-roll” reaktīvo R-HiPIMS tehnoloģiju.

Projekta kopējās attiecināmās izmaksas: 648 750,00 EUR, t.sk., Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējums ir 374 919,00 EUR.­


Par projekta īstenošanu (laika posms 01.02.2020. – 30.04.2020.)

30.04.2020.

Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” aktivitātes “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde“ ietvaros tika veikti plānotie pētījumi un izgatavoti metālu oksīdu pārklājumi. Tika pielāgotas gāzu padeves un optiskās emisijas sistēmas nepieciešamo procesa parametru iegūšanai. Tika izgatavoti plānotie paraugi un apraksts, un sagatavoti pārklājuma tehnoloģiskā izgatavošanas procesa parametru dati. Tika optimizēti pārklājumu procesa parametri saskaņā ar pārklājumu analīzes rezultātiem.

Pārskata periodā tika papildināta tehniskā atskaite par R-HiPIMS barošanas avota konstrukciju kamerā ar diviem magnētiskajiem elementiem. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana optimālu procesa parametru iegūšanai un veikta plānoto metālu oksīdu pārklājumu izgatavošana. Tika analizēta tehnoloģiskā pārklājumu procesa parametru ietekme uz reaktīvo HiPIMS pārklājuma rezultātiem. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti un noformēti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta atkārtota pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.

Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3 plānu kārtiņu izgatavošanu un optimizāciju. Izveidota un veiksmigi notestēta lāzerkristalizācijas iekārta amorfas ReO3 plānās kārtiņas kristalizācijai pie istabas temperatūras.

Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām ReO3 kārtiņām tiks veikts struktūras un vadāmības pētījums ar elektrovadošo atomspēku mikroskopu (C-AFM, kontakts režīms) atkarībā no sintēzes parametriem (atkvēlināšanas temperatūras – RT, 200°, 250° un 300° C). Tika uzņemtas vadāmības kartes korelētas ar topogrāfijas kartēm ar dažādu mērogu (skenēšanas laukuma izmērs 1x1, 5x5 un 10x10 mikroni^2), ka arī uzņemtas strāvas-sprieguma raksturlīknes. Topogrāfijas aina labi sakrīt ar iepriekš iegūtiem SEM datiem. Optimāla atkvēlināšanas temperatūra ir 250°-300° C, kas labi sakrīt ar iepriekš iegūtiem makroskopiskiem vadāmības mērījumu datiem.

Projekta komanda nesen veica pasaulē pirmos aprēķinus priekš O-šķeltas ReO3 polāras (001) virsmas izmantojot Hartrī-Foka metodi un CRYSTAL datorprogrammu. Saskaņā ar mūsu aprēķiniem, ReO3 (001) virsmas augšējā slāņa O atomi relaksē uz leju, tilpuma virzienā. O atomu relaksācijas lielums ir 5.32% no mūsu aprēķinātās ReO3 kristāliskās režģa konstantes (3.758 Å). Otrā slāņa Re atomi uz ReO3 O-šķeltās (001) virsmas relaksē uz augšu par 2.66% no režģa konstantes. Arī 2 slāņa O atomi relaksē uz augšu, bet drusku mazāk, tikai par 0.53% no ReO3 režģa konstantes. Trešā slāņa O atomi, tāpat kā augšējā slāņa O atomi atkal relaksē uz leju, tikai šoreiz atšķirībā no augšējā slāņa to relaksācijas lielums ir ievērojami mazāks, tikai 0.98% no ReO3 režģa konstantes.

Caurspīdīgo vadošo oksīdu materiālu īpašību modelēšana (Aktivitāte N3). Veikto datora aprēķinu rezultātus apkopojošs referāts ar nosaukumu “ZnO-embedded IrO2: a first-principles approach to electronic defects” tika pieteikts E-MRS 2020 konferencei, simpozijam M: defektu izraisītie efekti nanomateriālos. Referātu apstiprināja dalībai konferencē, tika plānota tā mutiska prezentācija.

Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx, WO3-x un kristāliskām ReO3, WO3-x plānām kārtiņām, un parādīts.


Par projekta īstenošanu (laika posms 01.11.2019. – 31.01.2020.)

31.01.2020.

Starp aizvadītā gada (2019) nozīmīgākajiem sasniegumiem Latvijas zinātnē arī ERAF Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 pētnieki: LZA korespondētājloceklis Roberts Eglītis, LZA akadēmiķis Juris Purāns.

Šajā laika posmā projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tika izgatavoti metālu oksīdu pārklājumu paraugi. Kā arī veikti plānotie pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana nepieciešamo procesa parametru iegūšanai un plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, sagatavots apraksts un pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.

Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3-WO3 plānu kārtiņu izgatavošanu. Veiksmīgi izstrādāta ReO3-WO3 plānās kārtiņas uzklāšanas tehnoloģija uz reaktīvās magnetronu izsmidzināšanas un termiskas atkvēlināšanas bāzes.  Kopumā izgatavoti un raksturoti 10 ReO3-WO3 plānās kārtiņas paraugi. Tika veiksmīgi izstrādāta ReO3-WO3 plānu kārtiņu uzklāšanas tehnoloģija, izmantojot reaktīvo DC magnetronu izputināšanu. Tika veiksmīgi sagatavoti ReO3-WO3 paraugi uz kvarca, oksidēta silīcija un kaptona pamatnēm.

Pārskata periodā tika papildināta tehniskā atskaite par R-HiPIMS barošanas avota konstrukciju kamerā ar diviem magnētiskajiem elementiem. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana optimālu procesa parametru iegūšanai un veikta plānoto metālu oksīdu pārklājumu izgatavošana. Tika analizēta tehnoloģiskā pārklājumu procesa parametru ietekme uz reaktīvo HiPIMS pārklājuma rezultātiem. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti un noformēti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta atkārtota pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.

 

Projekta komanda nesen veica pasaulē pirmos aprēķinus priekš O-šķeltas ReO3 polāras (001) virsmas izmantojot Hartrī-Foka metodi un CRYSTAL kompjūtera programmu. Saskaņā ar mūsu aprēķiniem, ReO3 (001) virsmas augšējā slāņa O atomi relaksē uz leju, tilpuma virzienā. O atomu relaksācijas lielums ir 5.32% no mūsu aprēķinātās ReO3 kristāliskās režģa konstantes (3.758 Å). Otrā slāņa Re atomi uz ReO3 O-šķeltās (001) virsmas relaksē uz augšu par 2.66% no režģa konstantes. Arī 2 slāņa O atomi relaksē uz augšu, bet drusku mazāk, tikai par 0.53% no ReO3 režģa konstantes. Trešā slāņa O atomi, tāpat kā augšējā slāņa O atomi atkal relaksē uz leju, tikai šoreiz atšķirībā no augšējā slāņa to relaksācijas lielums ir ievērojami mazāks, tikai 0.98% no ReO3 režģa konstantes.

Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx, WO3-x un kristāliskām ReO3, WO3-x plānām kārtiņām, un parādīts.


Par projekta īstenošanu (laika posms 01.07.2019. – 30.10.2019.)

16.12.2019.

Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tika veikta laboratorijas iekārtas pielāgošana un optimālu magnetronu izvēle lai iegūtu metālu oksīdu pārklājumu heterostruktūras. Tika veikti plānotie pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros. Tika izanalizēti injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu testēšanas rezultāti un izdarīti secinājumi. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.

Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3 plānu kārtiņu izgatavošanu. Tika veiksmīgi izstrādāta ReO3 plānu kārtiņu uzklāšanas tehnoloģija, izmantojot reaktīvo DC magnetronu izputināšanu. Tika veiksmīgi sagatavoti ReO3 paraugi uz kvarca, oksidēta silīcija un kaptona pamatnēm. Tika pētīta ReO3 veidošanās no amorfa ReOx pie dažādām temperatūrām (200, 250, 300, 350° C).

Caurspīdīgo vadošo oksīdu materiālu īpašību modelēšana.  Iepriekš veiktie datoraprēķini tika papildināti ar jauniem, padziļinot tādejādi iegūtas zināšanas par materiālu. Rezultātus apkopojošs ziņojums “Hybrid density functional calculations of Ir-doped ZnO” tika prezentēts 16.09.2019 Varšavā zinātniskajā konferencē “E-MRS 2019 Fall Meeting” mutiska referāta veidā. Pašlaik top publikācija ar darba nosaukumu “Ir+Oi complex in ZnO: hybrid PBE0 calculations and experiment”, kas iekļauj visus iegūtos rezultātus par irīdija-skābekļa kompleksu cinka oksīda matricā.

Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx un kristāliskām ReO3 plānām kārtiņām, un parādīts, ka amorfu ReOx kārtiņu EXAFS spektrs viennozīmīgi sakrīt ar ReO2 spektru.


Par projekta īstenošanu (laika posms 01.03.2019. – 30.06.2019.)

08.07.2019.

Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros  tā uzsākšanas fāzē tika veikta laboratorijas iekārtu (LU CFI un SIA Sidrabe Vacuum) sagatavošana un aprīkošana plānoto tehnoloģisko pētījumu veikšanai, kā arī tika sākti pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros.  Veikta pētījumam nepieciešamo magnetronu un HIPIMS sistēmas montāža un pieregulēšana un vakuuma sistēmas pielāgošana divu magnetronu “roll-to-roll” pārklāšanas procesam, kā arī tehnisko risinājumu iespēju izpēte, lai nodrošinātu R-HIPIMS reaktīvo magnetronu izputināšanas tehnoloģisko procesu un izveidota reaktīvā magnetronu izputināšanas procesa parametru kontroles sistēma.  

Projekta darbības “TMO un TMO / TCO īpašību datormodelēšana “ ietvaros ir sākti praktiski aprēķini, izmantojot CRYSTAL datorprogrammu. Saskaņā ar pētījuma plānu veikti vairāki datoraprēķini. Tika modelēta cinka oksīda superšūna ar irīdija atomu kā aizvietošanas defektu un ar papildus starpmezglu skābekļa atomiem. Iegūtas vairākas iespējamas defektu izvietošanas konfigurācijas un tiek gatavots tos izvērtējošs apraksts. Rezultātus apkopojošs ziņojums “Hybrid density functional calculations of Ir-doped ZnO” tika pieņemts zinātniskajā konferencē “E-MRS 2019 Fall Meeting” mutiska referāta veidā.

Savukārt projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums “ ietvaros tika iegūtas ReO3 plānās kārtiņas un uzsākti pētījumi, izmatojot LU CFI aparatūru: UV-VIS, XRD, Ramana metode.