Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)
40 %
Panel
Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent
Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Starting date
2009-04-01
Closing date
2012-09-30
Funding (in million HUF)
1.000
FTE (full time equivalent)
2.50
state
closed project
Summary in Hungarian
A cink-oxid, mint piezoelektromos és egyben félvezető anyag, mely nanoszerkezetű formában is előállítható, a nanoelektromechanikai rendszerek (NEMS) egyik kulcsfontosságú alapanyaga lehet a jövőben. Ennek köszönhetően az elmúlt két évben számos innovatív, főként nanoszál alapú eszközt mutattak be, úgy is, mint nanogenerátor, nanoméretű nyúlásmérő szenzor vagy mechanikus úton vezérelt unipoláris tranzisztor. Bár a ZnO nanoszálak mechanikai és elektromechanikai tulajdonságait intenzíven kutatják, a közölt értékek nagy szórást mutatnak, és ezek mérettől való függése még mindig kérdéses. További hiányosság, hogy a megadott mennyiségek kivétel nélkül magas hőmérsékletű (T=600-1200 °C), száraz módszerrel készített nanoszálak vizsgálatával történt. A javasolt kutatási tervben a jelölt alacsony hőmérsékleten (T=80 °C), vizes oldatból növesztett rendezett ZnO nanoszálakat hoz létre, melyek mechanikai és piezoelektromos tulajdonságait egy nanométer érzékenységű manipulátor segítségével vizsgálja. A mért adatok kiértékeléséhez és összehasonlítás céljából a jelölt a kísérlettel párhuzamosan végeselem szimulációkat is végez. A javasolt terv további célja egy innovatív háromlábú szerkezet előállítása és tesztelése, melyben a nanoszálak csúcsát egy vezető nanogömb kapcsolja össze. Ezzel a mechanikailag és elektromosan stabil szerkezettel ̵ az elképzelés szerint ̵ a hajlított szálak elektromechanikai viselkedése és a fém/félvezető nanoszál elektromos átmenete minden eddiginél jobban megismerhető. Sőt, a javasolt háromlábú szerkezet egy újszerű, szubmikron méretű 3-dimenziós erőmérő alapját is képezheti.
Summary
ZnO as a piezoelectric semiconductor which can be synthesized in nanostructured form is predestinated to be a key material of future nanoelectromechanical systems (NEMS). Therefore, in the last two years several innovative devices such as direct-current generator, nanosized strain sensor, and mechanically driven unipolar transistor were demonstrated. Although considerable efforts have been devoted to investigate the mechanical and electromechanical properties of ZnO nanowires the published values still scatter strongly and the size effect is also under debate. Moreover, the available data are restricted to ZnO nanowires which were synthesized with high temperature (T=600-1200 °C), dry methods. In the proposed work highly ordered vertical ZnO nanowires will be grown by low temperature (T=80 °C) aqueous method and their mechanical properties and piezoelectric activity will be systematically investigated by a nanomanipulator robotic arm. The measured results will be supported and compared with finite element calculations. In the second half of the research program an innovative tripod nanostructure will be tested in which a well positioned conductive nanosphere connects the tip of the ZnO nanowires. With the electrically and mechanically robust structure the electromechanical behavior of bended ZnO nanowires and the metal/semiconductor nanowire interface can be more precisely investigated. Moreover, the tripod structure can provide the basis of a novel sub-micron sized 3D force sensor.
Final report
Results in Hungarian
A PD kutató a pályázatban különböző módszereket dolgozott ki vertikálisan rendezett ZnO nanoszálak növesztésére, valamint elektromos, mechanikai és elektromechanikai vizsgálatára. A rendezett növesztéshez szükséges mintázatot - a korábban már használt elektronsugaras írás mellett - nagyobb felületen alkalmazható, gazdaságosabb, új módszerekkel, nanogömb(foto)litográfiával és nanoimprint litográfiával hozta létre. Szintén sikerült kiváltani a korábban használt vezető ZnO egykristály hordozót az alkalmazás szempontjából sokkal fontosabb szigetelő hordozóra (zafír). Mint kiderült a létrejövő nanoszerkezet morfológiáját elsősorban a magréteg kristálytani jellemzői határozzák meg. A nedves kémiai úton növesztett egyedi nanoszálak piezoelektromos aktivitását pásztázó tűszondás módszerrel igazolta. A nanoszálak pásztázó elektronmikroszkópban végzett rendkívül érzékeny hajlítási vizsgálatai kimutatták, hogy a nanoszál hajlítási modulusza (36.0±8.3 GPa) lényegesen elmarad a tömbi értéktől (140 GPa). Az egyedi nanoszálak elektromechanikai vizsgálatai mellett a PD kutató egy új típusú erőmérő szenzort is tervezett, ill. tesztelt, melyben a nanoszál deformációja az alatta lévő réteg vezetőképességének változása alapján olvasható ki.
Results in English
Several methods were developed for the synthesis process as well as for the electrical, mechanical and electromechanical characterization of vertical ZnO nanorod arrays. The required nanopatterned templates were generated by novel techniques, such as nanosphere(photo)- and nanoimprint lithography. The conductive ZnO single crystal as substrate material was substituted with insulating material (sapphire) which is essential for most of the potential applications. It was pointed out, that the morphology of the ZnO nanowire arrays is dictated by the crystal quality of the underlaying seed layer, rather than by the surface roughness. The piezoelectric activity of wet chemically grown single ZnO nanowires was tested using piezo force microscopy (PFM). It was found during in the in-situ static mechanical test of ZnO nanowires, that their bending modulus (36.0±8.3 GPa) is significantly lower than that of the bulk ZnO (140 GPa). Beyond the electromechanical test of ZnO nanowires, the PI has designed and tested a novel force sensor, in which the nanowire induced stress in the underlaying seed layer can be detected by the change in layer resistivity.
Volk J; Szabó Z; Erdélyi R; Khánh NQ: Engineered ZnO nanowire arrays using different nanopatterning techniques, 8263, pp. 1-6, Proceedings of SPIE, San Francisco, USA, Jan. 22-25 2012, 2012
