Материалы микро- и наноэлектроники

Объект изучения – модуль плазмохимического травления и осаждения на базе нанотехнологического комплекса Нанофаб-100. Цель работы — плазмохимический синтез тонких покрытий на основе нитридов алюминия и титана. Методы исследования: плазмостимулированное химическое осаждение из газовой фазы, электрохимическое окисление, плазменное азотирование, сканирующая электронная и атомно-силовая микроскопия, оптическая спектроскопия, наноиндентирование. В результате исследования разработана методика синтеза нитрида алюминия на установке плазмохимического синтеза. Синтезированы тонкие пленки нитрида алюминия толщиной 50-200 нм. Продемонстрирована возможность получения наноточек нитрида алюминия. С помощью плазмохимического азотирования модифицирована поверхность металлического титана с увеличением твердости в 4 раза. Показана возможность получения нанотубулярных структур нитрида титана, являющихся перспективными в целях создания электронных устройств, фотокаталитических ячеек и др.

Спроектирована установка для нанесения органических покрытий. Установка термовакуумного нанесения и виртуальный прибор «ThermoVAC&Co» позволяют осуществлять синтез тонкопленочных покрытий, контролируя температуру нагрева испаряемого вещества до 500 °C. Выполнен синтез тонких пленок 5,11-диметил-5,11-дигидроиндоло [3.2-b]карбазола 5,11-дигексил-5,11-дигидроиндоло[3.2-b]карбазола, 5,11-бис(2-метоксиэтил)-5,11-дигидроиндоло[3,2-b]карбазола и 5,11-бис[2-(2-метоксиэтокси)этокси]-5,11-дигидроиндоло[3,2-b]карбазола для исследования оптических и электрических характеристик. С помощью конфокального микроскопа Axio CSM 700 была проведена аттестация поверхности синтезируемых покрытий. Спектры оптического поглощения были получены на спектрометре Shimadzu UV-2450. Расчетный потенциал ионизации для исследованных соединений ICZ составляет 6,82-7,1 эВ. Обсуждается влияние отдельных блоков соединений на спектр оптического поглощения. На базе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 произведены измерения вольтамперных характеристик структуры ITO/-ICZ/Al. По данным ВАХ были рассчитаны подвижности зарядов по модели инжекционных токов. Подвижность носителей заряда, оцененная по вольтамперным характеристикам, находится в диапазоне 2,2 ∙ 10-9–1,43 ∙ 10-6 см2 / (В·сек) для исследованных соединений ICZ. Установлена связь между интенсивностью полос поглощения с максимумом около 430 нм и подвижностью носителей заряда.

Объектом исследования являются электроды на основе нанотубулярного диоксида титана, модифицированные различными способами (термическая обработка, создание композитов с углеродными нанотрубками и частицами металлического никеля). Синтезированные образцы исследовались методом растровой электронной микроскопии и различными электрохимическими методами анализа (гальваностатический заряд-разряд, циклическая вольтамперометрия, импедансная спектроскопия). В результате исследования получены электроды: 1) Т/TiO2-НТ; 2) УНТ/TiO2-НТ; 3) Ni/TiO2-НТ представляющие собой: 1) массивы TiO2-НТ толщиной 3,5 мкм, с внутренним диаметром 70-80 нм и толщиной стенок 30-40 нм; 2) массивы TiO2-НТ с углеродными нанотрубками диаметром 10-30 нм и длиной от десятков нм до десятков мкм на поверхности оксидного слоя; 3) массивы TiO2-НТ, декорированные сферическими наночастицами Ni диаметром 70-100 нм с образованием локальных конгломератов частиц до 500 нм. Результаты работы позволили получить информацию об электрохимических характеристиках синтезированных электродов и преимуществах модификации структур TiO2-НТ для использования их в качестве электродов ионистров.

Для изучения электрофизических свойств широкозонных полупроводников собран модуль оптической стимуляции в микрозондовой станции CascadeMicrotechMPS150.Стимуляция производится светом полупроводникового лазера с длиной волны 532 нм. Управление лазером производится непосредственно из программы измерения характеристик материалов (написанной в среде LabView) и позволяет изменять мощность от 2 до 225 мВт/с путем изменения скважности управляющих импульсов. Разработан и собран модуль подогрева образца в микрозондовой станции CascadeMicrotechMPS150.Модуль имеет независимое от измерительного тракта управление нагревом и позволяет нагревать образец до 120 °С за 7,5 мин и поддерживать температуру образца с точностью до 0,1 °С. Разработан и собран модуль высокотемпературного отжига материалов. Модуль состоит из двух независимых блоков нагрева (950 ° С и 1300 °С)и позволяет производить отжиг материалов в вакууме и различных газовых средах. Максимальные размеры образца‒(Д х В х Ш, мм) –50х10х10, скорость нагрева в первом блоке до 950°С ‒7.5 мин., во втором до 1200°С‒103 минуты.

С помощью оборудования National Instruments реализованы две установки для нанесения органических покрытий. Установка термовакуумного нанесения с виртуальным прибором «ThermoVac» позволяет производить линейный нагрев испаряемого вещества с фиксированной скоростью до заданной температуры термостатирования в диапазоне от комнатной до 500 °C. Установка для нанесения методом центрифугирования с ВП «SC_organic» позволяет поддерживать заданную скорость вращения подложки в диапазоне от 500 до 9000 об/мин. На базе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 разработан автоматизированный канал для тестирования мемристорных структур, в режиме многократного чтения и записи. ВП «RW MIM» формирует на выходе SMU источника последовательность импульсов заданной амплитуды и длительности в режимах запись/чтение. Выполнено нанесение и аттестация пленок 5,11-диметил-5,11-дигидроиндоло [3.2-b]карбазола и 5,11-дигексил-5,11-дигидроиндоло[3.2-b]карбазола. По измеренным вольтамперным характеристикам получено, что полупроводник в синтезированных структурах TiN/DMICZ/Au, Ti/DMICZ/Au обладает дырочной проводимостью с подвижностью μ = 4.9∙10-7 см2/(В∙с). Показано, что регистрируемая ВАХ характеризуется петлями гистерезиса, которые свидетельствуют о наличии мемристивного эффекта в образцах TiN/DHICZ/Au. Произведено тестирование исследуемых слоистых структур в режимах многократного чтения/записи.

Объектом исследования являются структуры металл/полупроводник/металл на основе анодированных слоев диоксида титана толщиной от 60 до 500 нм с диаметром нанотрубок от 30 до 60 нм, полученных во фторсодержащем растворе. Цель работы – исследование влияния толщины оксидного слоя, материала электрода и его площади на процессы резистивного переключения сэндвич-структур Ti/TiO2/Ме на основе нанотубулярного диоксида титана. Синтезированы сэндвич-структуры Ti/TiO2-НТ/Au и Ti/TiO2-НТ/Ag с диаметрами мемристивных элементов ≈ 100 мкм и ≈ 5,5 мм. Аттестация образцов проведена методами растровой электронной и оптической микроскопии, рентгенофазового анализа и спектроскопии комбинационного рассеяния. Исследованы ВАХ сфабрикованных структур в полных циклах резистивного переключения и в процессах, симулирующих многократное считывание информации. Получено, что микромемристор Ti/TiO2-НТ/Au с толщиной оксидного слоя 160 нм имеет наилучшие характеристики биполярного переключения среди исследованных. Продемонстрирована работоспособность структуры на протяжении 17 тыс. циклов переключения. Сделан вывод о возможности использования микромемристоров Ti/TiO2-НТ/Au в качестве перспективных элементов резистивной памяти.

Объект исследования – анодированный диоксид циркония. Цель работы – электрохимический синтез нанотубулярных структур диоксида циркония и исследование их люминесцентных и абсорбционных свойств. Методы исследования – растровая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, абсорбционная и фотолюминесцентная спектроскопия. Новизна работы – исследована фотолюминесценция анодированного диоксида циркония в диапазоне температур 6.2-700 К. Показано, что интенсивность свечения в области 375 – 600 нм возрастает с уменьшением температуры до 30 К. Спектры свечения описываются двумя пиками гауссовой формы с максимумами Emax = 2.28 и 2.75 эВ и полуширинами ω = 0.77 и 0.67 эВ, соответственно. Измерены спектры диффузного отражения образцов до и после отжига. Посредством построения Тауца рассчитана энергия края оптического поглощения нанотубулярного диоксида циркония Eg = 5.4 ± 0.1 эВ. Возможная область применения анодированного диоксида циркония – матрицы солнечных батарей и фотокатализаторы.

Цель работы состояла в определении оптимальных значений диаметра и массы углеродных нанотрубок (УНТ) в нафионсодержащей модифицирующей пленке для получения наилучших электрохимических и аналитических характеристик толстопленочных углеродсодержащих электродов (ТУЭ). В ходе работы синтезированы многостенные УНТ со средним диаметром dср ≈ 23 нм методом каталитического пиролиза этанола и проведена кислотная очистка полученного материала от металлических частиц катализатора и других модификаций углерода. Аналогичным способом обработаны коммерческие УНТ с dср ≈ 147 и 16 нм от Sigma-Aldrich. Успешно изготовлены 36 типов ТУЭ без УНТ и на основе УНТ в условиях варьирования массового содержания УНТ в диапазоне MУНТ = 0,3-10,0 мкг на поверхности ТУЭ. Аттестация поверхностей электродов проведена методами оптической и электронной микроскопии. Изучены электрохимические характеристики изготовленных ТУЭ методами циклической вольтамперометриии и импедансной спектроскопии. Выполнено определение ионов железа (III) в модельном растворе методом адсорбционной инверсионной вольтамперометрии. Установлены оптимальные значения среднего диаметра УНТ dср ≥ 23 нм и массы УНТ MУНТ = 5,0-10,0 мкг на поверхности ТУЭ для получения наилучших электрохимические и аналитические характеристики. Разработанные ТУЭ на основе УНТ могут применяться для определения ионов тяжелых металлов в реальных водах с концентрацией меньшей предельно-допустимых значений, установленных нормативными документами.

Целью работы являлся синтез и аттестация композитов на основе углеродных нанотрубок и оксидов металлов. В ходе работы выполнен синтезмногостенных УНТ внутри пор анодированного оксида алюминия, а также в нанотубулярных структурах диоксида титана. Катализатор для проведения синтеза подготавливался тремя разными способами: методом электрохимического осаждения, золь-гель способом, напылением. Золь-гель метод приготовления катализатора позволил получить композит УНТ@АОА. Используя метод магнетронного напыления удалось синтезировать композиты УНТ@TiO2-НТ. Выполнены исследования синтезированного углеродного материала методом Рамановской спектрометрии. Аттестация полученных композитов проведена методом электронной микроскопии. С помощью программно-аппаратного комплекса анализа изображений SIAMS был проведен анализ полученных СЭМ-изображений. Проведены исследования композита УНТ@TiO2-НТ методом импедансной спектроскопии. В итоге разработана методология получения композитов УНТ@АОА и УНТ@TiO2-НТ. Отмечены достоинства данных методов относительно известных в научном сообществе. Разработанная методика синтеза используется в лабораторных работах магистров направления «Электроника и наноэлектроника».

Цель магистерской диссертации состояла в изучении влияния режимов анодирования и условий последующей температурной обработки на структурные и люминесцентные свойства нанопористого оксида алюминия. Рассмотрены основные структурные особенности анодированного оксида алюминия (АОА) и методики получения его упорядоченных структур, его области применения и люминесцентные свойства. Успешно синтезирована серия из 20 образцов АОА в условиях варьирования электрохимических, временных и температурных режимов. Проведена аттестация полученных образцов методами сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Проведена статистическая обработка полученных снимков с помощью анализатора изображений SIAMS 700. Проанализированы зависимости среднего диаметра пор от напряжения анодирования и толщины оксидного слоя от времени анодирования. Рассчитана средняя скорость роста АОА для гальвано- и потенциостатических режимов. Изучены особенности и трансформация спектров диффузного отражения, фото- и катодолюминесценции образцов АОА в зависимости от условий электрохимического окисления и последующей термообработки. На основе сравнительного анализа литературных данных проведена идентификация активных центров свечения собственной (F-, F+-центры) и примесной (комплексы C2O42- и HC2O4-, ионы Cr3+ и Mn4+) природы. Рассмотрены перспективы дальнейших исследований и возможных применений синтезируемых мембран анодированного оксида алюминия.

Объект исследования – наноразмерные пленки двумерно упорядоченного линейно - цепочечного углерода на металлической подложке без примесей и с примесями. Цель работы – теоретическое исследование структурных, механических и колебательных свойств наноразмерных пленок двумерно упорядоченного линейно - цепочечного углерода на металлической подложке. Методы исследования: метода функционала плотности (DFT), сделан обзор экспериментальных и теоретических работ по применению DFT для вычисления структурных, упругих и колебательных свойств; использование пакетов ABINIT и Quantum-Espresso в приближении DFT; графическое представление результатов с помощью программного обеспечения MS Office Excel и Origin Pro. Результаты работы: рассчитан спектр комбинационного рассеяние ЛЦУ пленок; совмещение экспериментального и расчетного спектров комбинационного рассеяния для линейной структурной модели кристалла карбина; анализ возможности аттестации линейно-цепочечных структур методом КРС.

Объектом исследования являются 3 образца нанокерамики на основе Al2O3, и 4 образца кварцевых стекол: КИ, КВ, КУ, КС-4В. Цель данной работы – исследование акустических свойств, обусловленных особенностями микро- (нано)структуры двух категорий материалов микро- и оптоэлектроники – нанокерамики на основе Al2O3 и оптических кварцевых стекол. В процессе работы были: исследованы акустические свойства материалов микро- (нанокерамика на основе Al2O3) и оптоэлектроники (кварцевые стекла), исследованы оптические параметры кварцевых стекол и установлена корреляция между акустическими и оптическими параметрами. В результате исследования был создан оригинальный измерительный стенд и разработана методика измерения значений скоростей поперечных ультразвуковых волн, определены упругие характеристики нанокерамики на основе Al2O3 и кварцевых стекол, а также оптические параметры стекол. В данной работе удалось установить корреляцию между акустическими и оптическими параметрами. Используя измерения скоростей ультразвука и оптического поглощения, были определены фундаментальные характеристики образцов. Это способствует пониманию структурно-чувствительных свойств, а значит, в дальнейшем и влиять на них, создавая материалы с нужными параметрами для лучшей работы приборов микро- и оптоэлектроники.

В работе проведено исследование оптических характеристик коллоидных квантовых точек (КТ) InP/ZnS различных размеров (QD-1, QD-2, QD-3) и композитных наноструктур анодированного оксида алюминия (AAО) с КТ методами спектрофотометрии и люминесцентной спектроскопии. Выполнен литературный обзор, касающийся электронных состояний в идеальном нанокристалле (НК), синтеза КТ на основе InP, использования НК для создания нанокомпозитов и расчёта цветовых характеристик излучателей. Описаны методики подготовки образцов и проведения измерений спектров оптического поглощения (ОП) и фотолюминесценции (ФЛ). По анализу спектров ОП КТ определены значения энергий оптических переходов. Полосы с наименьшей энергией соответствуют первому экситонному пику поглощения ядра InP. Другие могут быть приписаны оболочке из ZnS. По синему сдвигу осуществлена оценка размера ядер образцов КТ. Для QD-1 исследована температурная зависимость первого экситонного пика поглощения. Спектры ФЛ позволяют предположить, что полосы свечения формируются как экситонными переходами, так и дефектами кристаллической решётки ядра InP. Синтезирован ряд структур нанопористого оксида алюминия, отожженного при различных температурах, с осаждёнными КТ и исследована их ФЛ. Показано, что после осаждения в AAО НК InP/ZnS, сохраняют свои флуоресцентные свойства, следовательно, можно говорить об успешном создании композитных люминофоров InP/ZnS@AAO. Обсуждаются цветовые характеристики изучаемых образцов.

Изучен метод допирования нанопорошков и изготовленных на их основе компактов - пропитка в растворе, который содержит необходимую примесь. Данный метод прост и эффективен, а так же позволяет варьировать содержание допанта в материале. Микрофотографии поверхности исследуемых образцов получены на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Sigma VP. Анализ фрагментов структуры твердых тел выполнен на специализированном программном обеспечении SIAMS 700 (комплекс SIAMS Photolab). В работе был измерен средний размер частиц керамик оксида алюминия допиированных металлами и построено распределение по размерам.

Синтезированы мемристорные сэндвич-структуры Zr/ZrO2-nt/Au диаметром 140 мкм на основе нанотубулярного слоя диоксида циркония толщиной 1.7 мкм и внутренним диаметром нанотрубок 55 нм. Проведена аттестация образцов методами сканирующей электронной и конфокальной микроскопии. Исследованы вольт-амперные характеристики полученных устройств в статическом и импульсном режимах резистивного переключения. Определены параметры резистивного переключения. Установлены механизмы проводимости, доминирующие в различных состояниях структуры. Продемонстрирована возможность формирования квантовых филаментов, состоящих из кислородных вакансий, в оксидном слое. Показана перспективность применения данных структур в качестве мемристорных элементов памяти.