Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Szilárdtestfizika
zsűri
Fizika 1
Kutatóhely
SZFI - Elméleti Szilárdtest-fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők
Bruyer Emilie Ivády Viktor Károlyházy Gyula Somogyi Bálint
projekt kezdete
2016-01-01
projekt vége
2018-12-31
aktuális összeg (MFt)
39.444
FTE (kutatóév egyenérték)
4.44
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az NaMSeN projekt célja, hogy elérje negyedik főcsoportbeli elemekből felépülő félvezető nanostruktúrák területének előrehaladását, fotonikai alkalmazások szempontjából. Ehhez szükséges ezen anyagok természetes korlátainak (az indirekt átmenetek dominanciája miatti alacsony abszorpciós hatáskeresztmetszet és emissziós ráta) kiküszöbölése félvezhető-fém nanostruktúrált kompozitok illetve ötvözetek létrehozásával (SiGe, erősen adalékolt Si:B,P stb.). Az optikai tulajdonságok javítását exciton-plazmon csatolás, Purcell-effektus illetve a rácsállandó megváltoztatásának segítségével lehet elérni. A projekt magába foglalja ide kapcsolódó technológiák, elméleti modellek és mérési módszerek kifejlesztését. A nanokompozitokat különböző skálákon fogjuk tanulmányozni, önálló nanoobjektumoktól kezdve mikroszkopikus méretű sokaságokon keresztül egészen teszt készülékekig. A projekt megfelel a elektronikában és napenergia hasznosításásban felhasználható anyagokkal kapcsolatos Japán+V4 Közös Felhívásban szereplő témának, miközben kémiai és biológiai érzékeléssel valamint fényemittáló eszközökkel kapcsolatos alkalmazásokat is figyelembe vesz. A nanokompozitok biokompatibilitását és degradációs tulajdonságait is vizsgálni fogjuk egyedülálló nanorészecskék lumineszcens optikai detektálásával élő sejtekben. Mind a négy visegrádi országból és Japánból is egy kiváló kutatócsoport alkotja ezt a kutatói konzorciumot, amely valószínűsíti a fenntartható és eredményes együttműködést.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A fény emisszió és abszorpció a négyes főcsoportba tartozó elemekből (elsősorban szilícium) felépülő szerkezetekben hatalmas potenciállal rendelkezik különböző alkalmazási területeken, mint például fotonika, fényérzékelés, napelemek, biomedicina, stb. A (nano)technológia fejlődésének és a nanoszerkezetekkel kapcsolatos elméleti tudás felhalmozódásának ellenére a Si(Ge) és hasonló nanoszerkezetek teljesítménye erősen korlátolt, mivel az indirekt tiltott-sáv határozza meg a nanokristályok optikai tulajdonságait egészen 2 nm átmérőig. Ennek következtében az ennél nagyobb nanokristályok abszorpciós hatáskeresztmetszete és emissziós rátája nagyon alacsony. Nyilvánvalóvá vált, hogy a fent említett alapvető problémákat nem lehet megoldani pusztán tiszta Si és egyéb negyedik főcsoporta tartozó félvezetőkből felépülő nanoszerkezetekkel. Új, bonyolultabb struktúrák létrehozására van szükség, mint például ötvözetek (Si(Ge)Sn), erősen adalékolt Si(Ge) vagy félvezető-fém nanokompozitok. Az indítványozott projekt célja félvezető-fém kompozit nanoszerkezetek előállítása, vizsgálata és modellezése egy egyedülálló megközelítésben, amely hidat képez több különböző skála között a különálló nanoobjektumoktól kezdve mikroszkopikus sokaságokon keresztül makroszkopikus eszközökig. Tanulmányozni fogjuk a fém és félvezető nanoszerkezetk közötti gyenge csatolás által létrehozott változást az abszopriós és emissziós rátákban valamint a létrejövő plazmon-exciton energiatranszfert. A különálló nanoszerkezetek vizsgálatából elsajátított tudást kamatoztatni tudjuk majd az eszközök megépítésében valamint a fényérzékelési és biológiai alkalmazások terén.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A NaMSeN projekt a félvezető/fém nanokompozitok teljes potenciáljának feltárását célozza meg. Egy egyedülálló lehetőség arra, hogy a V4 országokat vezető pozícióba hozza szabadalmak, licenszek, spin-off cégek létesítése és ipari létesítmények telepítése szempontjából felhasználva a felhalmozott tudást és a projekt kapcsán tett felfedezéseket. A nanokompozitok olyan újszerű technológiák kifejlesztését ígérik, amelyek segítségével olyan optoelektronikai eszközök fejleszthetők ki, amelyeket közvetlenül fel lehet használni fényérzékelés és biomedicina területén. A következő lépésekben tervezzük elérni célunkat: * A technológia kifejlesztése és a négyes főcsoporbeli nanoszerkezetek gyártása kémiai szintézis, magnetronos katódporlasztásos és kémiai gőzfázisú rétegleválasztás módszerek segítségével. * Különálló nanoobjektumok, nanoobjektumok sokaságai kompozitainak átfogó szerkezeti vizsgálata valamint az elektromos és optikai tulajdonságaik szimulációja. * A nanokristélyokat tartalmazó teszt eszközök technológiájának illetve gyártásának megtervezése. * A nanokristályok és egyéb előállított nanostruktúrák elektromos és optikai tulajdonságainak részletes karakterizálása, beleértve különálló nanoobjektumok és fém-félvezető kompozitok vizsgálatát is.
Reményeink szerint a technológia, mérési felszerelések, szimulációs eszközök és különösképpen az egyedülálló szakértelem megosztása eredményes tudományos együttműködéshez vezet, amely NaMSeN projekt befejeződése után is kamatozni fog. A találkozók, látogatások és konferenciák közben létrejött személyes kapcsolatok intenzív és hosszútávú nemzetközi együttműködésre fogják motiválni a résztvevő kutatókat, és lehetővé teszik idegen kultúrák felfedézését és megértését.
Annak érdekében, hogy maximalizáljuk a NaMSeN projekt által elért eredmények hatását, tervezzük nagy impakt-faktorú illetve open-access folyóiratokban történő publikációk írását, előadások tartását nemzetközi konferenciákon, web-oldal prezentációk és esetleg szabadalmak készítését.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Kicsi kompozit nanorészecskéket tervezünk és állítunk elő. A kutatás eredménye lehetővé teheti olyan szenzorok kifejlesztését, amelyek segítségével biológiai molekulák nyomon követhetők, pl. rák vagy egyéb megbetegedések diagnózisának céljából.
E nagy, multilaterális projekt egy másik fontos célja hogy egy fenntartható kutatási és oktatási együttműködést hozzon létre Japán és a visegrádi országok között, amely magasabb képzettség elérésre és új ötletek kitalálására ösztönözhet fiatal kutatókat és diákokat, ami hosszú távon a gazdaságra is pozitív hatással lehet.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The NaMSeN project aims to advance the field of group-IV semiconductor nanostructures in the new stage closer to photonic applications by overcoming intrinsic limitations of these materials (namely the low absorption cross section and emission rate due to the dominating indirect transitions) via formation of metal-semiconductor nanostructural composites and alloys (SiGe, heavy doping Si:B,P etc.) The enhancement of optical properties should be achieved mainly by exciton – plasmon coupling, Purcell effect and crystal lattice modification by strain. The project includes development of relevant technologies, theoretical models and characterization methods. The nanocomposites will be studied on different scales from single nanoobjects, microscopic ensembles up to test devices. The project is matching the Joint Call theme of materials for electronics and energy harvesting by addressing applications to chemical and bio-sensing as well as light emitting devices. Biocompatibility and degradability of nanocomposites will be tested in living cells using single nanoparticle luminescence imaging. Top research group from all Visegrad countries and Japan are selected to form this project consortium with high potential for sustainable and fruitful collaboration.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Light-emission and harvesting in group-IV(especially silicon)-based structures has tremendous application potential in various fields like photonics, sensing, solar cells, biomedicine etc. Despite the great advances of (nano)technology and theoretical understanding of nanostructures, the performance of Si(Ge) and related nanostructures is strongly limited by the indirect band-gap electronic structure ruling optical properties of nanocrystals down to size of about 2 nm. In consequence their absorption cross section and emission rate are very low. It becomes evident that the above mentioned fundamental problems cannot be solved with intrinsic Si and other group-IV nanostructures. Therefore, introduction of new physics into Si nanocrystals by the formation of more complex structures like alloys (e.g. Si(Ge)Sn or heavily doped Si (Ge) or semiconductor-metal nanocomposites) must be addressed. The proposed projects aims to fabricate, investigate and model semiconductor-metal composite nanostructures with a unique approach bridging the scales from single nano-objects to ensembles and macroscopic devices. We will study changes of absorption and emission rates and plasmon-exciton energy transfer enabled by weak coupling of metal and semiconductor nanostructures. Knowledge gained from study of single nanostructures will then be then used for building of devices and testing their applications for sensing and bio-imaging. Thanks to the combination of unique know-how of five internationally renowned research groups we should reach synergetic effects allowing to push limits of group-IV-nanophotonics and test applications in the field of biomedicine.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. NaMSeN proposes to discover the full potential of the semiconductor/metal nanocomposites. It is a unique opportunity to position V4 countries in a leading position in terms of patents, licenses, spin-offs, and industry deployment of the findings harvested during the progress of the project. Nanocomposites target on the development of novel technology for optoelectronic devices that can be directly used in sensing, biomedicine etc. The goal is to be achieved by the following steps:
• Technology development and fabrication of group-IV nanostructures by means of chemical synthesis, magnetron sputtering and chemical vapour deposition. • Comprehensive structural investigation and simulation of electronic and optical properties of single nano-objects, their ensembles and composites. • Design the technology and fabrication of test devices with embedded of group-IV NCs • Detailed electrical and optical characterization of NCs and other fabricated structures, including investigation of single nano-objects and metal-semiconductor composites.
Sharing of technology and characterization equipment, theoretical modeling tools and especially the unique know how should create fruitful scientific collaboration to be exploited also after the complition of NaMSeN project. Personal connections gained during the meetings, stays and conferences should motivate participating researchers for more intensive and long-term international collaboration and enable discovering and understanding of foreign cultures.
In order to maximize impact of the results obtained during the NaMSeN project, dissemination activities (publication in high-impact and open-access journals, presentation at international conferences, possible intellectual property protection (patents), web-site presentations) will be carried out.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Here we design and fabricate small composite nanoparticles. The outcome of this research can make possible to develop such sensors that can track biological molecules, as an example, for diagnosis of cancer or other diseases.
Another important aim of this large multilateral project is establishing of sustainable research and education collaboration between Japan and Visegrad countries which will stimulate young researchers and students to reach high education level and produce new ideas with economic impact.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Több mint 10000 adalékolt Si nanokristály (NC) modellt alkottunk és analizáltunk időfüggő sűrűségfunkcionál módszerekkel, emellett számos oxidált, 1-3 nm méretű Si NC-t készítettünk. Módszereket implementáltunk a Si NC-k Raman, infravörös és fotolumineszcencia spektrumai számításának céljából. Összehasonlítva a kísérleti és szimulációs eredményeket, azonosítani tudtuk a legvalószínűbb adalék konfigurációkat a kis Si NC-kben megfeleltethető optikai tulajdonságokkal. Megjósultunk olyan metastabil adalék konfigurációkat a Si NC-kben, amelyek közel-infravörö tartományban világítanak in-vivo biológiai képalkotás céljából. Emellett olyan adalék konfigurációkat azonosítottunk a felületen, amelyek az együttesen adalékolt Si NC-k magneto-optikai tulajdonságait módosítják.
Az együttműködő partnereink a szilícium-karbid nanorészecskéket (SiC NPs) is bevonták a projektbe, mint a Si NC-k alternatíváját, amelyeket nedves kémiai marással állítottunk elő. Az ezt megalapozó mechanizmust a "foton nélküli exciton generációs kémiai folyamatként" azonosítottuk. Emellett tanulmányoztuk a kolloidok részecske-részecske kölcsönhatásának hatását a fotokatalitikus hatásfokára, és azonosítottuk egy méretfüggést az 1-10 nm mérettartományra és felületi borítottság lényeges szerepét is, amelyek fontosak a SiC NP-k biológiai alkalmazásának szempontjából. Végezetül nagyon kicsi SiC NP-k optikai átmeneténél direkt kimértük az átmenetet a szilárdtest-jelleg és molekula-jelleg között 3-6 nm mérettartományban.
kutatási eredmények (angolul)
We setup and analyzed more than 10 000 doped Si nanocrystal (NC) models by means of time-dependent density functional theory and we prepared several models for oxidized Si nanocrystals with a size of 1-3 nm. We implemented methods to calculate the Raman, infrared and photoluminescence spectra of Si NCs. By comparing our simulation results and the experimental spectra, we could identify the most likely dopant configurations in small SiC nanocrystals that are responsible for the observed optical properties. We predicted such metastable dopant configurations that produce near infrared emission in ultrasmall Si nanoparticles for in-vivo bioimaging. In addition, we identified dopant configurations at the surface that modifies the magneto-optical properties of co-doped Si NPs.
Our collaborators wished to work with us on silicon carbide (SiC) nanoparticles (NPs) as alternative to Si NCs that we prepared by wet chemical etching. The underlying mechanism of etching was identified as a no-photon exciton generation chemistry (NPEGEC) process. We also studied the particle-particle interaction of colloids on the photocatalytic efficiency, and we identified a size dependency in the 1-10 nm region and a crucial role of surface termination. These findings have implications for the potential biological applications of SiC NPs. Finally, we directly observed the transition from solid-state to molecular-like optical transition in ultrasmall SiC NPs in the size region of 3-6 nm.
R. Derian, K. Tokár, B. Somogyi, Á. Gali, and I. Štich: Optical Gaps in Pristine and Heavily Doped Silicon Nanocrystals: DFT versus Quantum Monte Carlo Benchmarks, J. Chem. Theory Comput. 13 6061-6067, 2017
Bálint Somogyi, René Derian, Ivan Štich, and Adam Gali: High-Throughput Study of Compositions and Optical Properties in Heavily Co-Doped Silicon Nanoparticles, J. Phys. Chem. C 121 27741-27750, 2017
David Beke, Gyula Károlyházy, Zsolt Czigány, Gábor Bortel, Katalin Kamarás & Adam Gali: Harnessing no-photon exciton generation chemistry to engineer semiconductor nanostructures, Scientific Reports 7 10599, 2017
Dávid Beke, Klaudia Horváth, Katalin Kamarás, and Adam Gali: Surface-Mediated Energy Transfer and Subsequent Photocatalytic Behavior in Silicon Carbide Colloid Solutions, Langmuir 33 14263-14268, 2017
