Научные основы формирования субмикронных 3D-структур из наночастиц металлов и полупроводников для применений в электронике и фотонике

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 22-79-10127

НазваниеНаучные основы формирования субмикронных 3D-структур из наночастиц металлов и полупроводников для применений в электронике и фотонике

Руководитель Ефимов Алексей Анатольевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

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

Ключевые слова аэрозольные наночастицы, импульсно-периодический газовый разряд, электростатическая фокусировка наночастиц, электростатическая матричная линза, 3D-структуры субмикронных размеров, печатная электроника и фотоника, аддитивные нанотехнологии

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Настоящий проект посвящен разработке научных основ аддитивного изготовления трехмерных структур из наночастиц металлов (Ag, Au и др.) и полупроводников (ZnO, SnO2 и др.) в субмикронном масштабе размеров. Данные структуры за счет уникальных свойств наночастиц перспективны в качестве функциональных элементов электронных и оптических устройств, например, для создания микросборок и 3D-межсоединений, меток радиочастотной идентификации (RFID), газовых и биологических сенсоров, плазмонных структур, например, SERS-датчиков, солнечных батарей, дисплеев и интегральных схем. Известно, что изготовление трехмерных структур требует прецизионного осаждения (фокусировки) материала в нужную область на подложке. На текущий момент для этого используются специальные фокусирующие сопла и/или аэродинамические линзы, а минимальный размер структур, формируемых с помощью таких устройств лимитируется броуновским смещением наночастиц и составляет порядка 5-10 мкм. Существующий масштаб фокусировки (5-10 мкм) является недостаточным для многих электронных и оптических применений, где необходима высокая плотность размещения элементов и их малые размеры. Для решения данной проблемы необходимы поисковые исследования новых принципов фокусировки пучков наночастиц, основанных на использовании сил, способных подавить броуновское смещение частиц. Таковой является электростатическая сила, действующая на заряженные частицы на дальних расстояниях и доминирующая над импульсом броуновского движения в области высоких напряженностей электрического поля. Научная новизна данного проекта заключается в том, что будет разработан и исследован новый метод электростатической фокусировки аэрозольных наночастиц в пучки субмикронного размера с помощью электростатической матричной линзы с множеством отверстий. При этом в качестве источника наночастиц размером 2-30 нм будет использоваться импульсно-периодический газоразрядный генератор (оригинальная разработка авторов проекта), а матричная линза будет выполнять функцию шаблона, рисунок отверстий которой будет соотноситься с геометрией формируемых 3D-структур. По предварительным расчетам определено, что броуновское движение частиц вблизи заряженной поверхности линзы будет пренебрежимо мало т.к. кинетическая энергия частиц (~500 мэВ) в электростатическом поле будет намного больше, чем их энергия теплового движения (~kT). Таким образом, это позволит подавить эффект броуновского смещения (уширения) пучка и сформировать структуры субмикронного диапазона размеров. В целях апробации разрабатываемый метод будет реализован на примерах формирования прозрачных сетчатых электродов, плазмонных решеток для видимого и инфракрасного диапазонов длин волн с горизонтальным и вертикальным расположением элементов субмикронных размеров и газочувствительных элементов сенсоров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Корнюшин Д., Мусаев А.,Патарашвили А.,Бучнев А., Арсенов П., Иванов М., Вершинина О., Каменева Е., Волков И., Ефимов А., Иванов В. Effect of the Gas Temperature on Agglomeration of Au Nanoparticles Synthesized by Spark Discharge and Their Application in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Metals (MDPI), Том 13, Выпуск 2, Номер 301 (год публикации - 2023)
10.3390/met13020301

2. Патарашвили А.Н., Корнюшин Д.В., Иванов М.С., Алешина М.Ю., Ефимов А.А., Иванов В.В. Development and research of charger operation modes type "needle - plate" St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics (год публикации - 2023)

3. Корнюшин Д.В., Мусаев А.Г., Вершинина О.В., Иванов М.С., Каменева Е.И., Волков И.А., Ефимов А.А., Иванов В.В. Effect of the thickness of plasmonic gold nanostructures on the Surface Enhanced Raman Scattering enhancement factor St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics (год публикации - 2023)

4. Лизунова А.А., Борисов В.И., Мало Д., Мусаев А.Г., Каменева Е.И., Ефимов А.А., Волков И.А., Бучнев А.И., Шуклов И.А. и Иванов В.В. Spark Discharge Synthesis and Characterization of Ge/Sn Janus Nanoparticles Nanomaterials, том 13, выпуск 10, страницы 1-16 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13101701

5. Ефимов А., Патарашвили А., Масленников Д., Давыдов В., Корнюшин Д., Горбани Фард М.Р., Лабутов Д., Торгунаков В., Зебрева М., Иванов В. High-Resolution Patterning of Conductive Microstructures by Electrostatic Deposition of Aerosol Au Nanoparticles through the Dielectric Mask physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, номер 2300492, том 18, выпуск 5, страницы 1-10 (год публикации - 2024)
10.1002/pssr.202300492

6. Ефимов А., Патарашвили А., Корнюшин Д., Иванов М., Лизунова А., Горбани Фард М.Р., Нуралдин М., Лабутов Д., Давыдов В., Масленников Д., Зебрева М., Иванов В. Efficient charging of aerosol nanoparticles by corona-needle charger with improved design for printing of metallic microstructures International Journal of Engineering, Transactions A: Basics (год публикации - 2024)

7. Патарашвили А.Н., Ефимов А.А., Иванов М.С., Горбани Фард М.Р., Масленников Д.В., Иванов В.В. Effect of the electrostatic focusing lens voltage on structures size in 3D printing by charged Au nanoparticles St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, номер 3.1, том 17, страницы 372-375 (год публикации - 2024)
10.18721/JPM.173.101

8. Патарашвили А.Н., Горбани Фард М.Р., Ефимов А.А., Иванов М.С., Каменева Е.И., Давыдов В.О., Корнюшин Д.В., Масленников Д.В., Шишлянников А.В., Торгунаков В.Г., Иванов В.В. Three-dimensional aerosol printing by enlarged, optimized and charged nanoparticles Journal of Aerosol Science, том 184, февраль 2025, статья 106515 (год публикации - 2025)
10.1016/j.jaerosci.2024.106515

9. Патарашвили А.Н., Горбани Фард М.Р., Иванов М.С., Вершинина О.В., Лабутов Д.А., Долгов В.А., Ворошилова В.А., Масленников Д.В., Ефимов А.А., Иванов В.В. Multi-electrode Spark Discharge Generator of Composite Nanoparticles International Journal of Engineering Transactions C: Aspects, Том 38, выпуск 12, страницы 2910-2916 (год публикации - 2025)
10.5829/ije.2025.38.12c.09

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Проведено исследование условий термического и лазерного спекания массивов наночастиц металлов (Ag, Au) и оксидов (ZnO, SnO₂) для формирования структур с заданными электрическими, оптическими и механическими свойствами. В экспериментах использовались муфельная печь и импульсный лазер, параметры которых (температура, время спекания, мощность излучения) варьировались для оптимизации свойств массивов. - Установлено, что при лазерном спекании наночастиц Ag последовательное увеличение числа циклов осаждения и спекания с 1 до 10 позволяет снизить удельное сопротивление массива с 6,7⋅10⁻⁸ до 4,37⋅10⁻⁸ Ом∙м за счет циклического воздействия лазера и тонком осаждении материала. При плотности энергии излучения 6700–7900 Дж/см² сопротивление приближается к значению, характерному для объемного материала. Удельное сопротивление массивов Ag и Au, достигнутое в ходе спекания, превышает объемные значения в 2,2 и 5 раз соответственно. - Для термического спекания сферических наночастиц Ag диаметром 30 нм при 600 °C удельное сопротивление массива составило 6,1⋅10⁻⁸ Ом·м, что в 1,8 раза ниже, чем у линий из агломерированных частиц (10,9⋅10⁻⁸ Ом·м). Это обусловлено более плотной упаковкой при использовании сферических наночастиц. - Установлено, что оптимальная температура спекания наночастиц SnO₂ составляет около 650 °C, при которой материал достигает минимального удельного сопротивления. При дальнейшем увеличении температуры до 800 °C массив разрушался из-за разницы в термическом расширении SnO₂ и подложки. Удельное сопротивление SnO₂ демонстрирует полупроводниковое поведение, уменьшаясь с 28,9 до 0,6 Ом·м при нагреве от 100 °C до 300 °C. - Для массивов ZnO на основе сферических частиц увеличение температуры спекания до 1200 °C снижает удельное сопротивление до 2,8⋅10³ Ом·м в низковольтной области (до 800 В) и до 1,2⋅10³ Ом·м при высоких напряжениях (от 800 до 3000 В). Это связано с улучшением контактов между наночастицами. 2. Исследованы процессы фокусировки и осаждения аэрозольных наночастиц металлов (Ag / Au) и оксидов (ZnO / SnO₂) через множество открытых участков (диафрагм) электростатической матричной линзы при варьировании формы и размера диафрагмы, размеров и заряда аэрозольных наночастиц и поверхностного заряда электростатической матричной линзы. Получены следующие результаты: Уменьшение размеров диафрагмы электростатической матричной линзы сопряжено с уменьшением размеров формируемых структур. Сформированы субмикронные структуры с минимальным размером 360 нм; Форма структур повторяет форму диафрагмы электростатической линзы; Технологии сухой аэрозольной печати и электростатической фокусировки заряженных наночастиц применимы для печати структур из широкого спектра материалов, например, металлов (Ag / Au) или оксидов (ZnO / SnO₂); Средний размер и заряд аэрозольных наночастиц не существенно влияет на геометрические параметры структур. Тем не менее, с увеличением среднего размера наночастиц наблюдается снижение диффузионного расширения аэрозольного пучка, что приводит к меньшему разбросу наночастиц при осаждении; Поверхностная плотность заряда на электростатической линзе оказывает значительное влияние на процессы фокусировки и осаждения аэрозольных наночастиц: при увеличении разности потенциалов между линзой и подложкой с 5 до 35 В размер структур сократился с 105 до 20 мкм. 3. Проведено формирование субмикронных структур из золота и исследование их электрических и оптических свойств. Электрические свойства исследовались четырехзондовым методом, оптические – методом спектрофотометрии. Получены следующие результаты: Структуры из наночастиц золота в форме колонн высотой 3 мкм и толщиной от 290 нм до 1,1 мкм, без спекания продемонстрировали удельное сопротивление от 4,6⋅10⁻⁸ до 6,3⋅10⁻⁸ Ом·м, что лишь в 3 раза превышает значение для объемного золота. Матрицы структур из наночастиц золота в форме острий высотой от 160 до 640 нм и диаметром 210 нм проявили плазмонные резонансы на длинах волн от 575 до 664 нм в зависимости от высоты. Красное смещение резонансов коррелировало с увеличением размеров структур, что согласуется с теорией локализованных плазмонных резонансов. Возможность контроля высоты структур, влияющей на величину длины волны резонанса достигается изменением продолжительности печати, что открывает перспективы применения таких структур в биосенсорах, солнечных батареях и плазмонных лазерах. 4. Исследованы газочувствительные свойства структур из наночастиц SnO₂ и PdOₓ для детектирования метана. Сенсоры на их основе формировались путем аэрозольного осаждения наночастиц на подложку через матричную линзу. - Определен оптимальный состав газочувствительного слоя при отношении 30 % PdOₓ и 70 % SnO₂ (отклик 3,86 на 1 % концентрации метана, предел обнаружения 95 ppm) и 40 % PdOₓ и 60 % SnO₂ (отклик 5,18 на 1 % концентрации метана, предел обнаружения 45 ppm). - Увеличение содержания PdOₓ до 40 % повысило чувствительность сенсора на 34 % за счет каталитической активности материала. - Сенсоры продемонстрировали стабильную работу при температурах до 500 °C с энергопотреблением 140 мВт. 5. Выполнено сравнение сенсоров на основе наночастиц SnO₂, синтезированных методом импульсно-периодического газового разряда (ИПГР), с сенсорами из коммерческих золь-гель суспензий. - Сенсоры на базе наночастиц SnO₂, полученных в ИПГР, обладали 8-кратным увеличением проводимости при 100 ppm водорода с временем отклика ~1 с, на уровне лучших коммерческих образцов. - Изменение сопротивления при изменении влажности от 40 % до 80 % для таких сенсоров составляет ~20 % (против ~70 % для золь-гель сенсоров), что связано с минимальным количеством гидроксильных групп на поверхности наночастиц. - Метод ИПГР позволяет синтезировать наночастицы с высокой удельной поверхностью и стабильными характеристиками, что делает его перспективным для масштабируемого производства сенсоров. 6. Выполнено участие в следующих конференциях (6-ая Школа молодых ученых в рамках Российского форума “Микроэлектроника 2024”; Конференция с международным участием “Научное приборостроение – перспективы разработки, создания, развития и использования”; 67-ая Всероссийская научной конференция МФТИ). 7. Подготовлен отчет за 3 этап выполнения проекта. 8. Подготовлено 3 публикации в журналы, индексируемые в базе данных Web of Science и/или Scopus, включая 1 публикацию в издании “Journal of Aerosol Science”, входящего в первый квартиль Q1.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Субмикронные 3D-структуры металлов и оксидов найдут применение в оптических покрытиях, солнечных батареях, био- и газовых сенсорах и плазмонных лазерах, способствуя созданию интегральных устройств с улучшенными свойствами. Это откроет доступ к конкурентоспособным технологиям для «зеленой» энергетики и медицины. Металлические структуры с высоким аспектным отношением можно использовать для миниатюризации и повышения интеграции электронных компонентов в микроэлектронике.