Pannon Egyetem - Műszaki Informatikai Kar. Molekuláris- és Nanotechnológiák Doktori Iskola



Hasonló dokumentumok
ZÁRÓJELENTÉS. PD jelzésű OTKA pályázathoz

PHD tézisfüzet. Szabó Zoltán. Témavezető: Dr. Volk János Konzulens: Dr. Hárs György

MEMS, szenzorok. Tóth Tünde Anyagtudomány MSc

Vegyületfélvezető rétegek optoelektronikus és fotovoltaikus célokra

reaktív porlasztással leválasztott ZnO vékony réteg (e,j). A skála hossza 500 nm.

Szén nanoszerkezetek grafén nanolitográfiai szimulációja

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

Nanofizika, nanotechnológia és anyagtudomány

KIEMELKEDŐ EREDMÉNYEK MTA TTK MŰSZAKI FIZIKAI ÉS ANYAGTUDOMÁNYI INTÉZET

Periodikus struktúrák előállítása nanolitográfiával és vizsgálatuk három dimenzióban

Újabb eredmények a grafén kutatásában

Fényérzékeny amorf nanokompozitok: technológia és alkalmazásuk a fotonikában. Csarnovics István

Előzmények. a:sige:h vékonyréteg. 100 rétegből álló a:si/ge rétegrendszer (MultiLayer) H szerepe: dangling bond passzíválása

Szélesszögű spektroszkópiai ellipszométer fejlesztése és alkalmazása napelem-technológiai ZnO rétegek vizsgálatára

Titán alapú biokompatibilis vékonyrétegek: előállítása és vizsgálata

MW-PECVD GYÉMÁNTRÉTEG NUKLEÁCIÓJA ÉS NÖVEKEDÉSE KÜLÖNBÖZŐ HORDOZÓKON. Ph.D. értekezés tézisfüzet

OTDK ápr Grafén nanoszalagok. Témavezető: : Dr. Csonka Szabolcs BME TTK Fizika Tanszék MTA MFA

III-NITRID VÉKONYRÉTEGEK ÉS SiC NANOSZEMCSÉK ELEKTRONMIKROSZKÓPIÁJA

Vékonyréteg szerkezetek mélységprofil-analízise

Havancsák Károly Nagyfelbontású kétsugaras pásztázó elektronmikroszkóp az ELTÉ-n: lehetőségek, eddigi eredmények

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Pásztázó mikroszkópiás módszerek

TÉMA ÉRTÉKELÉS TÁMOP-4.2.1/B-09/1/KMR (minden téma külön lapra) június május 31

Nanotudományok vívmányai a mindennapokban Lagzi István László Eötvös Loránd Tudományegyetem Meteorológiai Tanszék

A nanotechnológia mikroszkópja

Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs

Autonóm szenzorhálózatoktól a nanoérzékelésig

DIPLOMAMUNKA TÉMÁK AZ MSC HALLGATÓK RÉSZÉRE A SZILÁRDTEST FIZIKAI TANSZÉKEN 2018/19.II.félévre

Grafén és szén nanocső alapú nanoszerkezetek előállítása és jellemzése

Pórusos szilícium alapú optikai multirétegek

PhD kutatási téma adatlap

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Textíliák felületmódosítása és funkcionalizálása nem-egyensúlyi plazmákkal

FBN206E-1 és FSZV00-4 csütörtökönte 12-13:40. I. előadás. Geretovszky Zsolt

Polimer nanokompozit blendek mechanikai és termikus tulajdonságai

Félvezető nanokristályok szigetelőkben memória célokra

Arccal a nap felé Vékonyréteg napelemek és intelligens üvegek. Lábadi Zoltán MTA TTK MFA

Röntgen-gamma spektrometria

SOIC Small outline IC. QFP Quad Flat Pack. PLCC Plastic Leaded Chip Carrier. QFN Quad Flat No-Lead

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

Szerkezetvizsgálat ANYAGMÉRNÖK ALAPKÉPZÉS (BSc)

Atomi erőmikroszkópia

Szabó Zoltán VÉKONYRÉTEG ÉS NANOSZERKEZETŰ CINK-OXID TERVEZETT SZINTÉZISE ÉS VIZSGÁLATA OPTOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖK SZÁMÁRA PHD ÉRTEKEZÉS

Gamma-röntgen spektrométer és eljárás kifejlesztése anyagok elemi összetétele és izotópszelektív radioaktivitása egyidejű elemzésére

Molekuláris dinamika I. 10. előadás

DETERMINATION OF SHEAR STRENGTH OF SOLID WASTES BASED ON CPT TEST RESULTS

Evans-Searles fluktuációs tétel Crooks fluktuációs tétel Jarzynski egyenlőség

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

Tollazati színek mikroszerkezeti háttere szubmikroszkópos megközelítés

Tudományos Diákköri Konferencia POLIMERTECHNIKA SZEKCIÓ

Aktuátorok korszerű anyagai. Készítette: Tomozi György

NANOTECHNOLÓGIA - KÖZÉPISKOLÁSOKNAK NAOTECHNOLOGY FOR STUDENTS

Havancsák Károly, ELTE TTK Fizikai Intézet. A nanovilág. tudománya és technológiája

Inverz geometriájú impulzuslézeres vékonyréteg-építés

LEHET-E TÖKÉLETES NANOELEKTRONIKAI ESZKÖZÖKET KÉSZÍTENI TÖKÉLETLEN GRAFÉNBÔL?

2. Két elírás: 9. oldal, 2. bekezdés - figyelembe, fegyelembe, 57. oldal első mondat - foglalkozok, foglalkozom.

Modellszámításokkal kapcsolatos kutatások bemutatása

SZÉN NANOCSŐ KOMPOZITOK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS VIZSGÁLATA

Biomolekuláris nanotechnológia. Vonderviszt Ferenc PE MÜKKI Bio-Nanorendszerek Laboratórium

Molekuláris dinamika. 10. előadás

Szubmolekuláris kvantuminterferencia és a molekuláris vezetőképesség faktorizációja

Fókuszált ionsugaras nanomegmunkálás

Mérés és adatgyűjtés

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény


2010. január 31-én zárult OTKA pályázat zárójelentése: K62441 Dr. Mihály György

SZIMULÁCIÓ ÉS MODELLEZÉS AZ ANSYS ALKALMAZÁSÁVAL

Kombinációs hálózatok és sorrendi hálózatok realizálása félvezető kapuáramkörökkel

Szilícium alapú nanokristályos szerkezetek minősítése spektroszkópiai ellipszometriával

Bio-nanorendszerek. Vonderviszt Ferenc. Pannon Egyetem Nanotechnológia Tanszék

A szubmikronos anyagtudomány néhány eszköze. Havancsák Károly ELTE TTK Központi Kutató és Műszer Centrum július.

Szilícium karbid nanokristályok előállítása és jellemzése - Munkabeszámoló -

AZ MTA MFA és elődei rövid története. MFKI- A Műszaki Fizikai Kutatóintézet (Bartha László írása nyomán)

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke.

Grafén nanoszerkezetek

MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306

Acélszerkezetek korszerű tűzvédelmének néhány kérdése

Hogyan lesznek új gyógyszereink? Bevezetés a gyógyszerkutatásba

Polimerek alkalmazástechnikája BMEGEPTAGA4

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

Intelligens Induktív Érzékelők

Rétegződés, domének és atomi mozgás ultravékony rétegszerkezetekben

Rezervoár kőzetek gázáteresztőképességének. fotoakusztikus detektálási módszer segítségével

Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilíciumnitrid. Tapasztó Orsolya

Röntgendiffrakció. Orbán József PTE, ÁOK, Biofizikai Intézet november

Grafén nanoszerkezetek és más kétdimenziós anyagok kialakítása és vizsgálata pásztázószondás módszerekkel. PhD tézisfüzet.

Fény és anyag munkában

Nyírási lokalizáció kialakulása szemcsés anyagokban (munkabeszámoló) Szabó Balázs

Makroelem-eloszlás vizsgálata vizes élőhely ökotópjaiban

Tapintásérzékelô tömbök

Villamos tulajdonságok

Zéró Mágneses Tér Laboratórium építése Nagycenken

Kísérleti üzemek az élelmiszeriparban alkalmazható fejlett gépgyártás-technológiai megoldások kifejlesztéséhez, kipróbálásához és oktatásához

Depolarizációs források és hatásuk vékonyrétegek spektroszkópiai ellipszometriai vizsgálatára

FEI Quanta 3D SEM/FIB. Havancsák Károly december

Mágnesség és elektromos vezetés kétdimenziós

Nanotanoda: érdekességek a nanoanyagok köréből

ÉPÜLETEK TŰZVÉDELME A TERVEZÉSTŐL A BEAVATKOZÁSIG TUDOMÁNYOS KONFERENCIA A BIM és a tűzvédelem The BIM and the fire protection

Havancsák Károly Az ELTE TTK kétsugaras pásztázó elektronmikroszkópja. Archeometriai műhely ELTE TTK 2013.

Átírás:

Pannon Egyetem - Műszaki Informatikai Kar Molekuláris- és Nanotechnológiák Doktori Iskola NEDVES KÉMIAI ÚTON NÖVESZTETT ZNO NANOSZÁLAK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS VIZSGÁLATA NANOELEKTROMECHANIKAI ÉRZÉKELŐK FEJLESZTÉSE CÉLJÁBÓL PhD TÉZISFÜZET Készítette: Erdélyi Róbert okleveles mérnök-fizikus Témavezető: Dr. Volk János, PhD Magyar Tudományos Akadémia Természettudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet 2014

A kutatás előzményei A cink-oxid mely nanoszerkezetű formában egyszerűen előállítható mind fizikai, mind kémiai módszerekkel a nanoelektromechanikai rendszerek (NEMS) egyik kulcsfontosságú alapanyaga lehet a jövőben. Ennek köszönhetően az elmúlt évtizedben számos innovatív, főként nanoszál alapú eszközt mutattak be, úgy is, mint nanogenerátor, mechanikus úton vezérelt unipoláris tranzisztor vagy tapintásérzékelő. Az eszközök működése mögött elsősorban a nanoszálak piezoelektromos tulajdonsága áll, amelynek révén például hajlítás során a nyújtott és az összenyomott oldaluk között elektromos potenciálkülönbség ébred. A végeselem szimulációk szerint ez a piezofeszültség a néhány tized voltos tartományba esik. Ez a tulajdonság találkozik a ZnO félvezető természetével a nanogenerátorban, amelyben a külső mechanikai zajok hatására meghajlított nanoszálakban a beépült piezopotenciál egy fém-félvezető egyenirányító átmeneten keresztül folyó áram segítségével semlegesítődik. Az eszköz tehát a környezetben található mechanikai energiát alakítja elektromos árammá. Ráadásul a ZnO biokompatibilis anyag, így a nanogenerátor a jövőben akár testbe ültetett

nanoeszközöket láthat el energiával. A nanoszálak másik ígéretes alkalmazási területe lehet a mechanikai szenzorika. Mikroméretekben számos különböző elven működő nem feltétlenül ZnO alapú mechanikai érzékelő született már. Ilyen például a Magyarországon kifejlesztett és a TactoLogic cég által forgalmazott Si alapú, piezorezisztív elven működő tapintásérzékelő, amely egyedi szenzorelemek mátrixából épül fel és képes a 3-dimenziós erővektorok laterális eloszlását rögzíteni milliméter alatti laterális felbontásban. Nem készült azonban még olyan integrált eszköz, amely szubmikronos méretekben képes irányfüggő erődetektálásra, lehetővé téve nanonewtonos erők mérését nagy térbeli felbontásban. A ZnO nanoszálak méretükből fakadóan a jövőben betölthetik ezt a szerepet. Egy ilyen ZnO nanoszál alapú eszköz lehetséges alkalmazása például a sejtek által kifejtett húzóerők nagyfelbontású in vitro vagy akár in vivo detektálása, amely segíthet jobban megérteni a biológiai folyamatokat. A biztonság növekedésével járhat ilyen érzékelőelemek mátrixából felépülő ujjlenyomat olvasó kifejlesztése, mivel így az azonosításra alkalmas nagyobb térbeli frekvenciák kiolvasása válna lehetővé, felülmúlva a hagyományos optikai illetve kapacitív úton működő eszközöket, melyek felbontása mindössze 50 µm.

Akármilyen eszközről is legyen szó, a ZnO nanoszálak mechanikai és elektromechanikai tulajdonságai döntően befolyásolják a működést. Bár a ZnO nanoszálak mechanikai tulajdonságait intenzíven kutatják, a közölt értékek nagy szórást mutatnak, és ezek mérettől való függése még mindig kérdéses. A nagy szórás okai valószínűleg részben a különböző módon szintetizált nanoszálak minőségbeli különbségében illetve az egyes vizsgálati módszerek nem megfelelő kalibrálásában keresendők. Kvázi-egydimenziós nanoszerkezetek mechanikai vizsgálatára az alkalmazott módszerek között megtaláljuk a makroszkópikus méretekben is gyakran alkalmazott hossztengely mentén történő nyújtást, atomi erőmikroszkópban végzett hajlítást vagy épp a pásztázó vagy transzmissziós elektronmikroszkópban periodikus elektromos tér által gerjesztett in situ rezonancia vizsgálatot. Hiányzik azonban az irodalomban például egy olyan összehasonlító vizsgálat, melynek során ugyanazon egyedi nanoszerkezetek mechanikai tulajdonságait két különböző módszerrel tanulmányoznák.

A dolgozat célkitűzése Az MTA TTK MFA-ban a nedves kémiai úton növesztett ZnO nanoszálaknak, amelyeket minden esetben egy ZnO magrétegre növesztenek, több éves hagyománya van. Munkám hosszabb távú célja egy integrált, újszerű, egyedi vertikális ZnO nanoszál alapú 3-dimenziós nanomechanikai érzékelő kifejlesztése. Kézenfekvő ötletnek tűnik ennek megvalósítására, ha a piezoelektromos nanoszál oldalain fémkontaktusokat alakítunk ki, és mérjük hajlítás közben a szemben levő oldalak között fellépő elektromos potenciálkülönbséget. Ezt azonban technológiailag roppant nehéz lenne kivitelezni. Sokkal ígéretesebbnek tűnik a ZnO magrétegből egy olyan csatorna kialakítása, melynek vezetőképességét a rajta homoepitaxiálisan növesztett vertikális ZnO nanoszál hajlítgatásával lehet hangolni. Végeselem szimulációval sikerült ugyanis megmutatni, hogy egy hordozóján merőlegesen álló ZnO nanoszál hajlításakor piezoelektromos potenciálkülönbség (illetve mechanikai feszültség) nem csak a szál két oldala között alakul ki, hanem a rúd alatt elhelyezkedő ZnO magréteg belsejében is. Az eszköz működésének alapja tehát lehetne mind a réteg csatolt piezoelektromos-félvezető viselkedése, mind pedig félvezető

mivoltából fakadó igen jelentős piezorezisztivitása is. Más szóval távlati célom egy olyan ZnO vékonyréteg tranzisztor kifejlesztése, amelyben a vezérlés nem egy külső forrásból a kapuelektródára adott elektromos feszültséggel történik, hanem mechanikai deformáció révén. Dolgozatom célja ezen eszköz kifejlesztéséhez nélkülözhetetlen első fontos lépések körüljárása. Ide tartoznak a következők: a nedves kémiai úton növesztett ZnO nanoszálak integrálása ZnO egykristálytól eltérő hagyományos hordozókra (zafír, szilícium); az összefüggés tanulmányozása a magréteg minősége és a nanoszálak geometriája illetve kristályszerkezete között; megmutatni, hogy a nedves kémiai úton növesztett vertikális ZnO nanoszálak alapját képezhetik újszerű NEMS eszközöknek; valamint a nanoszálak mechanikai minősítése egy jól megbízható nanomechanikai vizsgálati módszerrel. A konkrét eszköz előállítása és tesztelés túlmutat ezen dolgozat keretein.

Kísérleti módszerek ZnO magréteg leválasztás: impulzuslézeres leválasztás (NIMS-Japán, Nanovation SARL-Franciaország), reaktív magnetronos porlasztás (MFA-Magyarország), atomi rétegleválasztás (MFA-Magyarország), molekulasugaras epitaxia (VCU-USA), kémiai gőzfázisú leválasztás (CEA LETI-Franciaország) ZnO nanoszál szintézis: nedves kémiai növesztés (Zn(NO 3 ) 2 6H 2 O és (CH 2 ) 6 N 4 vizes oldatából); szálak pozicionálása elektronsugaras litográfiával (Jeol IC 848-2 elektronsugaras rendszer, MFA-Magyarország) InAs nanoszál szintézis: molekulasugaras epitaxia (Varian GEN II MBE, NBI-Dánia) ZnO és InAs nanoszálak morfológiai vizsgálata: pásztázó elektronmikroszkópia (Zeiss 1540XB SEM, MFA- Magyarország) ZnO és InAs nanoszálak illetve ZnO magrétegek kristályszerkezeti vizsgálata: transzmissziós elektronmikroszkópia (JEOL JEM-3010 és Phillips CM20 TEM, MFA- Magyarország), röntgendiffrakció (Bruker AXS D8 Discover GADDS 2-dimenziós röntgen diffraktométer, NIMS-Japán)

ZnO és InAs nanoszálak mechanikai vizsgálata: statikus hajlítás nanomanipulátor robotkarra rögzített kalibrált atomi erőmikroszkópos tűvel pásztázó eletronmikroszkópban; dinamikus rezgetés nanomanipulátor robotkarra rögzített elektromosan vezető W tűre adott periodikus feszültséggel (Zeiss 1540XB SEM és Kleindiek MM3A-EM nanomanipulátorok, MFA-Magyarország); dinamikus rezgetés kiértékelésekor végeselem szimuláció (Comsol Multiphysics, MFA-Magyarország) ZnO magrétegek érdességvizsgálata: atomi erőmikroszkópia (AIST-NT SmartSPM 1010 AFM, MFA-Magyarország) ZnO magrétegek vastagságának meghatározása: spektroszkópiai ellipszometria (Woollam M2000D spektroszkópiai ellipszométer, MFA-Magyarország) Mechanikus úton vezérelt vékonyréteg tranzisztor elektromechanikai vizsgálata: atomi erőmikroszkópia (AIST-NT SmartSPM 1010 AFM, MFA-Magyarország) Vertikális ZnO nanorudak piezoelektromos vizsgálata: piezoválasz atomi erőmikroszkópia (AIST-NT SmartSPM 1010 AFM, MFA-Magyarország)

Új tudományos eredmények A PhD munkám során elért eredményeket az alábbi tézispontokban foglalom össze: 1. Hét különböző minőségű ZnO magréteg vizsgálatán keresztül megmutattam, hogy nagyfokú rendezettséget és hangolható geometriát mutató ZnO nanoszálak nedves kémiai előállítása lehetséges megfelelő ZnO magréteg választásával és az elektronsugaras pozicionálás módszerével. Mindez lehetővé teszi a nanoszálak alkalmazását különféle integrált nano- és optoelektronikai eszközökben [T1]. 2. Kvantitatív röntgendiffrakciós és transzmissziós elektronmikroszkópos vizsgálatokkal megmutattam, hogy a ZnO nanoszálak kristályszerkezetét és rendezettségét a magrétegben található krisztallitok kristályszerkezete és orientációjának szórása határozza meg [T1]. 3. A piezoválasz atomi erőmikroszkópia módszerével (piezoresponse force microscopy) elsőként határoztam meg litográfiai úton pozícionált és nedves kémiai úton növesztett ZnO nanorudak [0001] kristálytani irányhoz rendelt (d 33 ) piezoelektromos állandóját. A kapott 8.4 ± 1.7 pm/v-os azaz meglehetősen magas piezoelektromos állandó révén a demonstrált eljárás útján növesztett ZnO nanorudak újszerű

nanomechanikai érzékelőknek és energia-átalakító eszközöknek alapját képezhetik [T2]. 4. Karcsú (high aspect ratio), wurtzit-kristályrácsú InAs nanoszálak hajlítási moduluszát határoztam meg ugyanazon egyedi nanoszálon két egymástól független, pásztázó elektronmikroszkópban végzett in situ vizsgálattal: statikus hajlítási kísérlettel kalibrált atomi erőmikroszkópos tűvel; valamint periodikusan változó elektromos tér által gerjesztett rezonancia vizsgálattal. Az alkalmazott módszerek segítségével elsőként határoztam meg tisztán wurtzitkristályrácsú InAs Young-moduluszát, mely a statikus módszerrel 43.5 ± 13.6 GPa, míg a dinamikus módszerrel 35.1 ± 3.4 GPa átlagos értéknek adódott a [0001] kristálytani irányban. A két független módszer a hibahatáron belül azonos eredményre vezetett, ily módon a statikus vizsgálati módszert a standardnak tekintett dinamikus méréssel hitelesítettem [T3]. 5. A hitelesített statikus hajlítási módszerrel meghatároztam alacsony oldalarányú (low aspect ratio), nedves kémiai úton növesztett, vertikális ZnO nanorudak hajlítási moduluszát, ami a dinamikus rezonancia módszerével kísérleti korlátok miatt nem kivitelezhető. A nanorudak hossztengely menti változó keresztmetszetét leíró analitikus mechanikai modell alapján a [0001] kristálytani irányhoz tartozó átlagos érték 32.2 ± 7.4 GPa-nak adódott [T4].

Publikációs lista A tézispontok elkészítéséhez felhasznált cikkek [T1] R. Erdélyi, T. Nagata, D. J. Rogers, F. H. Teherani, Zs. E. Horváth, Z. Lábadi, Zs. Baji, Y. Wakayama, J. Volk: Investigations into the Impact of the Template Layer on ZnO Nanowire Arrays Made Using Low Temperature Wet Chemical Growth, Crystal Growth & Design 11 (2011) 2515. Impakt faktor: 4.720. [T2] J. Volk, R. Erdélyi: Morphology and crystallinity control of wet chemically grown ZnO nanorods, Turkish Journal of Physics, DOI: 10.3906/fiz-1405-12, közlésre elfogadva [T3] R. Erdélyi, M. H. Madsen, Gy. Sáfrán, Z. Hajnal, I. E. Lukács, G. Fülöp, Sz. Csonka, J. Nygård, J. Volk: In-Situ Mechanical Characterization of Wurtzite InAs Nanowires, Solid State Communications 152 (2012) 1829. Impakt faktor: 1.534. [T4] R. Erdélyi, V. Halász, Z. Szabó, I.E. Lukács, J. Volk: Mechanical characterization of epitaxially grown zinc oxide nanorods, Physica E 44 (2012) 1050. Impakt faktor: 1.522.

Egyéb cikkek [P1] J. Volk, T. Nagata, R. Erdélyi, I. Bársony, A. L. Tóth, I. E. Lukács, Zs. Czigány, H. Tomimoto, Y. Shingaya, T. Chikyow: Highly Uniform Epitaxial ZnO Nanorod Arrays for Nanopiezotronics, Nanoscale Research Letters 4 (2009) 699. Impakt faktor: 2.894. [P2] N. Q. Khánh, I. E. Lukács, Gy. Sáfrán, R. Erdélyi, E. Fülöp, A. Deák, J. Volk: Effect of nanosphere monolayer on the morphology of ZnO nanowires grown by hydrothermal method, Materials Letters 79 (2012) 242. Impakt faktor: 2.224. [P3] J. Volk, Z. Szabó, R. Erdélyi, N.Q. Khánh: Engineered ZnO nanowire arrays using different nanopatterning techniques, Proc. of SPIE 8263 (2012) 82631L. [P4] Z. Szabó, R. Erdélyi, J. Makai, J. Balázs, J. Volk: Highly ordered three-dimensional ZnO nanorods for novel photonic devices, Phys. Status Solidi C 8 (2011) 2895.