КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-79-20208

НазваниеПространственно-селективный синтез двумерных материалов

РуководительМайлис Сакелларис , кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регионАвтономная некоммерческая образовательная организация высшего образования «Сколковский институт науки и технологий», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2024 

КонкурсКонкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Объект инфраструктуры Центр коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов

Ключевые словадвумерные материалы, дихалькогениды переходных металлов, "single-source" прекурсоры, электронные материалы и устройства, полупроводниковые тонкие пленки, фотонные материалы и устройства, сканирующая электронная микроскопия, сфокусированный ионный пучок, лазерная запись

Код ГРНТИ47.09.48


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Возможность создания монослойных материалов очень высокой производительности, таких как дихалькогениды переходных металлов (TMD), с множеством разнообразных технологических приложений в новых областях инженерных наук привела к интенсификации исследований по всему миру как в области фундаментальной физики двумерных материалов, так и в индустрии. Однако рынок приложений обычно требует надежных производственных решений, основанных на существующих, хорошо отработанных технологиях, таких как интеграция наноэлектроники и фотоники на подложках большого масштаба. В связи с перспективами применений в высокопроизводительных устройствах, являющихся движущей силой мировых исследований в материаловедении, в последнее время в данной области были разработаны различные методики выращивания и осаждения атомарно-тонких слоев TMD. Несмотря на интенсивность всех этих усилий, технологическая зрелость существующих методов осаждения тонких пленок и интеграция двумерных материалов в производственные процессы далеко не оптимизированы, особенно по сравнению с хорошо известными механизмами роста структур на базе полупроводников III-V групп. Даже изготовление простых гетероструктур (так называемых ван-дер-ваальсовых «конструкторов LEGO атомного масштаба») остается технически сложной задачей. В предлагаемом Проекте будет разрабатываться метод синтеза высококачественных двумерных пленок и их гетероструктур in situ, при комнатной температуре, с использованием фотонных, электронных и ионных пучков для активации прекурсоров типа “single-source”. Необходимая передача энергии будет достигнута с использованием как традиционных систем лазерной записи, так и оборудования для формирования изображений с помощью сканирующего электронного и/или сфокусированного ионного пучка. Предлагаемый метод не зависит от подложки и, в силу локального характера процесса синтеза, имеет низкий тепловой баланс. Поэтому он совместим с основными технологиями производства полупроводниковых устройств и аддитивного производства. Данный Проект, используя методы аддитивного производства, решает задачи пространственно-селективного осаждения двумерных материалов и их гетероструктур с переменным составом на различные технологически важные подложки и устройства. Предлагаемый комплекс исследований основывается на использовании оборудования нового поколения ЦКП «Визуализация высокого разрешения» для сканирующей электронной/ионной визуализации, преимуществами которого являются превосходная степень контроля луча и высокое разрешение, а также на обширных экспериментальных возможностях лаборатории гибридной фотоники в Сколтехе. В рамках задач Проекта будет изучен широкий спектр параметров осаждения и будет реализован метод производства высококачественных двумерных материалов с высоким разрешением, готовых к интеграции с устройствами на наномасштабах. ЦКП «Визуализация высокого разрешения» предоставит возможность для электронного и ионного синтеза двумерных материалов и их анализа. Спектроскопия на основе лазерного синтеза и электронная характеризация синтезированных пленок и устройств будут обеспечиваться существующими экспериментальными возможностями в лабораториях Центра фотоники и квантовых материалов в Сколтехе.

Ожидаемые результаты
В рамках решения задач Проекта будет разработана простая и недорогая система синтеза материалов, использующая, в том числе, прямую лазерную печать электронных и фотонных компонентов на основе двумерных полупроводников. Ожидаемые результаты будут способствовать прогрессу в области материаловедения, химических и биологических сенсоров, квантовых технологий и медицинской диагностики. Для полноценного раскрытия потенциала предлагаемого исследования потребуется привлечение опыта из ряда дисциплин, включая материаловедение, инженерные науки, химию и спектроскопию, что отражено в широком наборе навыков участников научного коллектива. Такой междисциплинарный характер исследования гарантирует, что его результаты будут интересны широкому академическому сообществу и поощрят взаимодействие и передачу знаний между многими областями науки. Ожидаемые результаты данного Проекта окажут значительное социально-экономическое влияние в краткосрочной и долгосрочной перспективе. Основным результатом будет создание новых производственных процессов для двумерных материалов, которые позволят быстро выводить на рынок новые появляющиеся материальные технологии. Кроме того, простота, гибкость и скорость синтеза в новой методике существенно повлияют на использование этих материалов в изготовлении устройств. Это подчеркивает социальную и экономическую значимость ожидаемых результатов, так как приведет к появлению новых продуктов и услуг, новых рабочих мест на производстве. Чтобы способствовать распространению созданной в Проекте технологии, будет рассмотрена задача сравнительного анализа, в ходе работы над которой двумерные материалы и устройства будут распространяться среди академических и промышленных организаций с целью сравнения и оценки. В рамках выбранного научного направления из Стратегии НТР РФ, данный Проект непосредственно решает задачу перехода к новым материалам и способам конструирования: разработанная в Проекте технология пространственно-селективного синтеза двумерных материалов откроет возможность производства недорогих устройств микроскопического масштаба, которые позволят быстро создавать прототипы со встроенной возможностью масштабирования. Ожидается, что результаты могут получить широкое в индустрии химических/биологических сенсоров, в том числе для здравоохранения. Другие сферы, для которых важны результаты предлагаемого исследования, включают квантовые технологии (для повышения безопасности связи в банковской сфере и в сфере национальной безопасности), технологии отображения (напр. включая складные дисплеи), реконфигурируемого декорирования больших площадей, распределенный сбор энергии на большой площади и многие другие приложения, для которых в перспективе предназначены двумерные материалы.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Четырехлетняя исследовательская программа данного проекта направлена на создание методов локализованного синтеза двумерных пленок дихалькогенидов переходных металлов (TMD) и устройств на их основе. Первый год работы посвящен синтезу пленок MoS2 и WS2. Более конкретно, работа, выполненная за первые 8 месяцев реализации проекта, была связана, во-первых, с характеризацией и оптимизацией жидких прекурсоров для получения пленок MoS2 и WS2; во-вторых, с пространственно-контролируемым синтезом и, в-третьих, с характеризацией этих пленок. Значительная часть исследований была посвящена использованию источников ионного и электронного пучков для облегчения локализованного синтеза двумерных материалов из single-source прекурсоров, которые могут быть нанесены на подложку методами спин-коатинга (метод вращающейся подложки) или dip-коатинга (погружение). С этой целью было проведено параметрическое исследование различных соединений прекурсоров для получения однородных пленок прекурсоров методом спин-коатинга на различных плоских подложках, а именно, для подложек из SiO2/Si, кварцевого стекла и сапфира. Следующим шагом было обеспечение совместимости пленок прекурсоров с вакуумными требованиями сканирующего электронного микроскопа (SEM) и установок, использующих сфокусированный ионный пучок (FIB), что было успешно реализовано. Были получены предварительные результаты ионной обработки пленок прекурсоров. Мощным методом локального синтеза TMD-материалов является прямой лазерный синтез из жидких single-source прекурсоров ((NH4)2MoS4 и (NH4)2WS4), которые были разработаны нашей исследовательской командой. С помощью этого метода лазерно-индуцированного синтеза был получен пространственно-селективный рост тонких пленок MoS2 и WS2 с контролируемой толщиной. Размер синтезированного материала связан с размерами облучающего лазерного луча. Важно, что этот метод включает этап "проявки", на котором любой избыток прекурсора, который не был частью процесса синтеза, может быть выборочно удален, таким образом, оставляя только синтезированную пленку на подложке. Пленки были охарактеризованы с помощью различных аналитических методов, включая спектроскопию комбинационного рассеяния света, рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS), профилометрию поверхности, оптическую и сканирующую электронную микроскопию. Рамановские спектры находятся в хорошем согласии с данными из литературы для пленок, выращенных другими методами. Рамановская спектроскопия также показала, что толщина синтезированных микрокристаллических пленок MoS2 и WS2 зависит от условий лазерного облучения. Прямые измерения толщины - профилометрия щупом - подтвердили результаты исследований, полученные при помощи комбинационного рассеяния. Таким образом были получены пленки MoS2 с малым количеством слоев и однослойные пленки WS2. XPS-cпектроскопия показала незначительный недостаток серы и умеренное содержание оксида. Микроскопия показала получение непрерывных пленок с хорошим прилеганием к подложке. Контроль толщины был дополнительно подтвержден изменением оптической плотности в зависимости от условий синтеза. Наконец, при определенных условиях изготовления наблюдались лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (LIPSS), которые могут быть использованы для увеличения функциональности различных устройств. Дальнейшая обработка пленок, которые были изготовлены на различных подложках, включала осаждение металлических электродов для облегчения оценки электрических характеристик (проводимость, подвижность зарядов и т.д.), фотоотклика и исследования применимости лазерно-синтезированных TMD-материалов для изготовления электронных устройств. Предварительная электрическая характеризация проводилась с помощью измерения линий пропускания (TLM) для исследования проводимости пленок в зависимости от условий лазерного синтеза. Полученные результаты хорошо согласуются с данными по исследуемым материалам, имеющимися в литературе. Наконец, для дальнейшего исследования электронного отклика и свойств переноса заряда исследуемым материалом, а также для создания основы различных будущих сенсорных продуктов на основе данных популярных двумерных материалов, был изготовлен полевой транзистор, использующий пленку MoS2, полученную методом лазерной печати. Результаты исследований в рамках этой рабочей программы вошли в несколько научных публикаций, одна из которых в настоящее время близка к принятию (стадия minor revisions) в журнале Q1 (Optical Materials: X), одна находится на рассмотрении в журнале Solid State Sciences, а часть результатов готовится к публикации.

 

Публикации

1. Салимон И.А., Аверченко А.В., Лагудакис П., Майлис С. UV laser-induced spatially selective deep oxidation of GaAs CLEO: Science and Innovations 2021, Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2021), paper JTh3A.102 (2021) (год публикации - 2021).