Исследование поверхностных свойств тонких пленок оксидов металлов и сегнетоэлектриков с целью формирования гетероструктур на их основе для создания функциональных элементов электроники и фотовольтаики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 22-29-00621

НазваниеИсследование поверхностных свойств тонких пленок оксидов металлов и сегнетоэлектриков с целью формирования гетероструктур на их основе для создания функциональных элементов электроники и фотовольтаики

Руководитель Петров Виктор Владимирович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" , Ростовская обл

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые слова тонкие пленки, гетероструктуры, оксид цинка, оксид кобальта, цирконат-титанат свинца, электрофизические характеристики, фотовольтаика

Код ГРНТИ47.09.48; 47.33.37

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В проекте предполагается исследовать поверхностные состояния тонких пленок оксидов цинка и кобальта, пленок цирконата-титаната свинца (ЦТС) с целью регулирования их электрофизических параметров для создания энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Указанные неорганические материалы являются широкозонными полупроводниками. Тонкие пленки оксида цинка проявляют пьезоэлектрический и термовольтаический эффект. Оксид кобальта, является полупроводником р-типа проводимости, применяется при изготовлении солнечных элементов, фотоэлементов, сенсоров газов, суперконденсаторов, магнитных и других материалов. Тонкие пленки (до 1 мкм) цирконата-титаната свинца (ЦТС) обладают сегнетоэлектрическим и пироэлектрическими свойствами и применяются в харвестерах энергии. Кроме этого, указанные материалы в нанокристаллическом исполнении обладают уникальными свойствами, отличными от свойств массивных материалов в силу большой удельной площади поверхности и большого количества границ раздела между гомо- и гетероструктурами. Однако указанные границы раздела, как правило, исследуются недостаточно. Научная новизна представленного проекта заключается в том, что будут комплексно исследоваться поверхностные, дефектные и зарядовые свойства тонких пленок оксидов металлов и ЦТС электрофизическими и оптическими методами, атомно-силовой микроскопией (АСМ), (Кельвин-зондовой силовой микроскопией (Метод Зонда Кельвина, KPFM, SKPM), силовой микроскопии пьезоотклика (СМП), рентгенофотоэлектронной спектроскопией (РФЭС), рентгенофазовым анализом (РФА), рамановской спектроскопией, растровой электронной микроскопией (РЭМ), просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ). Это приведет к картированию потенциальных барьеров на поверхности пленок, и механизма переноса зарядов в них, а также к определению величин поверхностных электрических полей что несомненно будет полезным при изготовлении прозрачных фотовольтаических, газочувствительных устройств и преобразователей энергии на основе тонких пленок исследуемых материалов. Будет проведено численное моделирование гетороструктур (оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа) с целью получения функциональных элементов с перспективными параметрами. В итоге, на основе полученных знаний, будут формироваться гетероструктуры оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа, в которых, за счет согласования энергетических уровней оксидов металлов и сегнетоэлектрика, формирования сильного поверхностного электрического поля будут получены уникальные фотоэлектрические свойства с целью создания функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Тонкие пленки ЦТС будут сформированы одностадийным методом ВЧ-реактивного распыления, который позволяет получать пленки сложных соединений, каковыми являются сегнетоэлектрические материалы, того же стехиометрического состава, что и многокомпонентная мишень. Формирование сегнетоэлектрических пленок происходит в промышленных установках для получения тонких гетероэпитаксиальных пленок сложных оксидов серии «Плазма» и не требует дополнительного термического отжига. Основные параметры формирования тонких пленок (парциальное давление газа в камере, температуру формирования, приложенную к электроду мощность, время формирования, размеры области плазменного свечения) контролируются в автоматическом режиме. Формирование пленок нанокристаллических оксидов металлов (оксиды цинка, кобальта) будет происходить на основе химических и физических методов. Физические методы (магнетронное распыление оксидов, напыление пленок металлов с последующим окислением быстрым термическим отжигом). Химические методы формирования тонких пленок оксидов металлов регулируемой толщины (10-500 нм) базируются на новом методе твердофазного низкотемпературного пиролиза. Будут изучены структура, микроструктура, диэлектрические, электрофизические, физико-химические, а также поверхностные, дефектные и зарядовые свойства тонких пленок оксидов металлов и ЦТС, формируемых на различных подложках. Далее, будет проведено численное моделирование гетороструктур (оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа) с целью получения функциональных элементов с перспективными параметрами. Гетероструктуры оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа будут формироваться на различных подложках (Si, SiO2/Si, Al2O3, MgO), содержащих свето- и электропроводный слой (ITO, ZnO и др.). Получаемые таким образом многослойные гетероструктуры будут исследованы с целью их использования в функциональных элементах электроники (фотоэлементы различного диапазона излучения, преобразователи механической и рассеянной энергии) и солнечных элементах. В проекте планируется разработать комплексный подход к исследованию поверхностных состояний тонких пленок оксидов цинка и кобальта, пленок цирконата-титаната свинца (ЦТС) с целью регулирования их электрофизических параметров для создания энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Полученные экспериментальные данные о размерных, морфологических, механических, фотоэлектрических и других физико-химических свойствах синтезированных пленок, наноструктур и гетероструктур позволят сделать осознанный выбор целевых материалов и внести теоретический вклад в изучение процессов формирования энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики на основе тонких пленок оксидов металлов и сегнетоэлектриков с регулируемыми электрофизическими параметрами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гуляева И.А., Игнатьева И.О., Баян Е.М., Петров В.В. Study of photoconductivity of thin films Co3O4 – ZnO Book of Abstracts 9th Internl School and Conf on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures (“Saint Petersburg OPEN 2022”) May, 24-27, 2022, Saint-Petersburg, Russia. Chief Ed.: A. E. Zhukov Publ by HSE University - St. Petersburg, 540 (год публикации - 2022)

2. Гуляева И.А., Нестеренко А.В., Петров А.В., Петров В.В. Research of the photoconductivity characteristics of ZnO–SnO2 sol-gel thin films 10th Anniversary International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA2021-2022. Divnomorsk, , Russia, May 23-27, 2022 Abstracts and Schedule, 127 (год публикации - 2022)

3. Игнатьева И.О., Гуляева И.А., Петров В.В., Баян Е.М. Effect of annealing temperature on the formation of thin nanocomposite films of Co3O4-ZnO 10th Anniversary International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA2021-2022. Divnomorsk, , Russia, May 23-27, 2022 Abstracts and Schedule, 135-136 (год публикации - 2022)

4. Нестеренко А.В., Варзарев Ю.Н., Петров В.В. Setup for studying the photoconductivity of thin semiconductor films and heterostructures formed on opaque substrates 10th Anniversary International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA2021-2022. Divnomorsk, , Russia, May 23-27, 2022 Abstracts and Schedule, 214-215 (год публикации - 2022)

5. В.В. Поляков, В.В. Бесполудин, Ю.Н. Варзарев, Е.М. Баян, В.В. Петров Использование быстрого термического отжига для формирования пленок оксида кобальта Сборник тезисов IV семинара «Современные нанотехнологии» (IWMN-2022) Екатеринбург, 24–27 августа 2022 г Изд-во: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (Екатеринбург), 153-154 (год публикации - 2022)

6. Гуляева И.А., Игнатьева И.О., Баян Е.М., Петров В.В. Study Of Structural Properties And Photoconductivity Of Co3O4 – ZnO Thin Films Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки (год публикации - 2022)

7. Петров В.В., Игнатьева И.О., Волкова М.Г.,Гуляева И.А., Панков И.В., Баян Е.М. Polycrystalline Transparent Al-Doped ZnO Thin Films for Photosensitivity and Optoelectronic Applications Nanomaterials, №13, 2348, 1-13 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13162348

8. Баян Е.М., Петров В.В., Игнатьева И.О., Волкова М.Г., Иванищева А.П.,Чернышев А.В. Effect of calcination temperature on phase composition and optical properties of Al-ZnO nanocrystalline films Physica Scripta, 98, 085008, 1-9 (год публикации - 2023)
10.1088/1402-4896/ace5ec

9. Петров В.В., Сысоев В.В., Игнатьева И.О., Гуляева И.А., Волкова М.Г., Иванищева А.П., Хубежов С.А., Варзарев Ю.Н., Баян Е.М. Nanocomposite Co3O4-ZnO Thin Films for Photoconductivity Sensors Sensors, 23, 5617 (год публикации - 2023)
10.3390/s23125617

10. Гуляева И.А., Иванищева А.П., Волкова М.Г., Стороженко В.Ю., Хубежов С.А., Баян Е.М., Петров В.В. Investigation of electrophysical, photo- and gas-sensitive properties of ZnO–SnO2 sol–gel flms JOURNAL OF ADVANCED DIELECTRICS, 2245002 (год публикации - 2023)
10.1142/S2010135X22450023

11. Гуляева И.А., Петров В.В. Моделирование солнечного элемента на основе пленок Co3O4 и (Co3O4)1-x(ZnO)x Физика и техника полупроводников (год публикации - 2023)

12. Бородина А.В., Гуляева И.А., Игнатьева И.О., Петров В.В. Effect of Cobalt Oxide Content on Photoconductivity of Co3O4-ZnO Films Abstracts 2023 International Conference PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p., PHENMA 2023, Surabaya, Indonesia, October 3–8, 202): Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.69. (год публикации - 2023)

13. Игнатьева И.О., Волкова М.Г., Баян Е.М., Петров В.В. The Optical Properties of Co3O4-ZnO Thin Films Abstracts 2023 International Conference PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.69., Abstracts 2023 International Conference PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.69. (год публикации - 2023)

14. Киргинцев Н.А., Петров В.В., Гуляева И.А., Игнатьева И.О. Influence of Annealing Temperature of Al-ZnO Films on Their Photoconductivity Abstracts 2023 International Conference.PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.159-160., Abstracts 2023 International Conference.PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.159-160. (год публикации - 2023)

15. Коломыйцев К.В., Иванищева А.П., Нестеренко А.В., Петров В.В. Stand for Measuring the Characteristics of the Photoconductivity of Semiconductor Oxide Films Abstracts 2023 International Conference. PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.163-164., Abstracts 2023 International Conference. PHENMA 2023. Surabaya, Indonesia, October 3–8, 2023. Southern Federal University. – Rostov-on-Don ; Taganrog : Southern Federal University Press, 2023. – 369 p. P.163-164. (год публикации - 2023)

16. Гуляева И.А., Игнатьева И.О. Влияние температуры отжига на плёнки Со3О4, на их поверхностные электрофизические свойства XIX Ежегодная молодежная научная конференция «Достижения и перспективы научных исследований молодых ученых юга России», г. Ростов-на-Дону, 17–28 апреля 2023 г., В тез.докл. XIX Ежегодной молодежной научной конференции «Достижения и перспективы научных исследований молодых ученых юга России», г. Ростов-на-Дону, 17–28 апреля 2023 г. с.242. (год публикации - 2023)

17. Волкова М.Г., Игнатьева И.О., Гуляева И.А. Электрофизические свойства тонких пленок смешанных оксидов кобальта-цинка Матер. Междунар. науч.-техн.конф.молодых ученых «Инновационные материалы и технологии» IMT-2023. г.Минск, 21–23марта 2023г.– Минск: БГТУ, 2023.– 405 с., В матер. Междунар. науч.-техн.конф.молодых ученых «Инновационные материалы и технологии» IMT-2023. г.Минск, 21–23марта 2023г.– Минск: БГТУ, 2023.– 405 с. С.208-209 (год публикации - 2023)

18. Гуляева И. А., Саенко А. В., Петров В. В. Моделирование солнечного элемента на основе пленок Со3О4 и Со3О4-ZnО ФизикА.СПб:Тезисы докладов Международной конференции 23-27 октября, 2023г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023, ФизикА.СПб:Тезисы докладов Международной конференции 23-27 октября, 2023г. — СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2023 с.95-96 (год публикации - 2023)

19. Игнатьева И.О., Гуляева И.А., Петров В.В., Баян Е.М. Влияние температуры термической обработки на оптические свойства тонких пленок на основе оксида цинка Химия: достижения и перспективы : сборник научных статей по материалам VII Всероссийской научно-практической конференции студентов и молодых ученых, посвященной памяти д.х.н. В.В.Лукова / Южный федеральный университет. –Ростов-на-Дону ; Таганрог, 2022., 672-673 (год публикации - 2022)

Публикации