Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)
40 %
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
20 %
Panel
Physics
Department or equivalent
Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Starting date
2015-09-01
Closing date
2020-12-31
Funding (in million HUF)
23.949
FTE (full time equivalent)
2.90
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A jelen projekt célja cink-oxid, és gallium-oxid vékonyrétegek készítése atomi rétegleválasztással (ALD), majd az elkészült filmek vizsgálata, és nano-struktúrák kialakítása belőlük. A ZnO egy széles tiltott sávú félvezető, amely az elmúlt években igen nagy figyelmet vonzott, mivel sokrétűen felhasználható a szenzorikában, az optoelektronikában átlátszó elektródaként és a mikroelektronikában vékonyréteg tranzisztorként. A ZnO atomi rétegleválasztása egy széleskörben vizsgált, és sok felhasználás esetében elterjedt eljárás. A ZnO ALD módszerrel könnyen adalékolható, ötvözhető is, a leggyakrabban használt adalékanyaga az alumínium, ezzel azonban több probléma is felmerült. A ZnO galliummal történő adalékolása viszont sok szempontból ígéretesebb, mivel jobban javítja az anyag vezetőképességét, miközben a kristályszerkezetet sem roncsolja. Maga a Ga2O3 sem csupán adalékanyagként használható ZnO rétegekben, hanem ezen kívül a fotokatalízisben is igen ígéretes anyag és szenzorikai célú felhasználásai is vannak. Az atomi rétegleválasztása egy relatíve új eljárás, ezért ezzel kapcsolatban még rengeteg nyitott kérdés maradt.
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 projekt egy igen népszerű és egy kevésbé ismert fém-oxid anyagra koncentrál, és a belőlük készült ötvözetekre, multiréteg- és nano-struktúrákra, amelyeknek fontos felhasználási lehetőségei lehetnek a szenzorikában a mikrotechnológiában és a mikroelektronikában. A kutatás célja ezen anyagok részletes vizsgálata és a leválasztási folyamatuk optimalizálása. Miután ez az optimalizáció megtörtént, a következő lépés a felhasználásuk különböző nanostruktúrákban.
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! Az atomi rétegleválasztás egy újszerű vékonyrétegleválasztási technológia, amely igen nagy érdeklődésre tesz szert bizonyos egyedülálló előnyei miatt, mint például az összetétel és vastagság szabályozásának pontossága és a könnyű adalékolás. Az MTA TTK MFA tisztaterében található ALD berendezés a régióban egyedülálló, ezért számtalan különböző kutatási témában felhasználásra talál. Ezért különösen fontos a technológia alapvető tulajdonságainak vizsgálata, és a felhasználások szempontjából érdekes anyagok leválasztási paramétereinek és tulajdonságainak ismerete. Ezen kívül a technológia felhasználása új fajta –bottom up jellegű- nanostruktúra építési technológiákhoz is egy nagy érdeklődésre számot tartó és jelenleg kidolgozatlan terület.
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. A mikroelektronika és annak méretcsökkenése napjainkban odáig jutott, hogy szükségessé vált nanométeres vastagságú vékonyrétegek, bevonatok készítése. Az atomi rétegleválasztás módszer egy vékonyréteg készítési eljárás, amellyel atomi rétegenként építhetünk fel filmeket, tehát ilyen pontossággal kontrollálható a rétegek vastagsága és összetétele is. Egy másik különlegessége a módszernek, hogy nem csak síkfelületet lehet vele bevonni, hanem 3 dimenziós struktúrákat is, amely más módszerekkel nem megoldható. Ezen különlegességek miatt a módszer már az iparban is kezd elterjedni. Ehhez azonban fontos, hogy a kutatás előbb tisztázza a mögötte rejlő alapvető folyamatokat és ezen kívül, hogy folyamatosan újabb és újabb anyagokra találja meg a megfelelő leválasztási módszereket. A projektben javasolt anyagok, a cink-oxid és a gallium-oxid különösen fontosak különböző mikroelektronikai és szenzorikai felhasználásokhoz.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the present project is the deposition of ZnO and Ga2O3 thin films deposited by atomic layer deposition and the examination of the thus created films, and fabricating nanostructures of them. ZnO is a wide band-gap semiconductor attracting considerable interest in the past few years due to its versatility in sensorics, optoelectronics, for transparent electrodes and thin film transistors. ZnO is commonly deposited by ALD, the process is well described and utilised for a number of applications. ZnO can easily be doped and alloyed by ALD as well, the most commonly used dopant being aluminum, although it has proven to be a less than perfect dopant. On the other hand the Ga doping of ZnO is a lot more promising, as it induces very high carrier concentrations, while leaving the crystallinity unaltered. Gallium-oxide itself can not only be used as a dopant for ZnO, but is also a highly promising material in photocatalysis and sensorics. The atomic layer deposition method for Ga2O3 fabrication is fairly novel, therefore there are still a number of open questions about the technique itself, such as the use of the appropriate precursor, the deposition parameters, and the properties of the resulting layers.
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. The project focuses on a highly popular, and a less known metal-oxide material, and the alloys and multilayers fabricated out of them. These structures may have important applications in sensorics and microtechnology. The aim of the project is to study and optimise their deposition processes. After the deposition of these films has been optimised, the project focuses on their applications in different nanostructures.
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. Atomic Layer Deposition is a novel thin film deposition method which has gained considerable attention recently due to its unique features, such as precise composition and thickness control and easy doping. The ALD instrument at MTA TTK MFA is the only such equipment in the region, and can be utilised in a number of different research topics. Therefore it is crucial to study the basic properties of the deposition and the properties of the films that may become the focus of research in the next few years. On the other hand using ALD as a novel bottom up method to fabricate nanostructures is in the focus of research nowadays, as it seems very promising, but even the basic methodology is yet to be developed.
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. Due to the size reduction in microelectronics and microtechnology the preparation of thin films with a few nanometre thickness has become increasingly important. The method of atomic layer deposition is a thin film preparation method, which makes it possible to construct films one atomic layer at a time. Another speciality of the technique is that not only flat surfaces can be covered with it, but the coating of 3 dimensional structures as well. Due to these exquisite features the method has been gaining a great popularity in industrial applications as well. This requires researchers to clarify the basic processes behind the technique, and to keep finding the proper deposition methods for new materials. The materials the proposed project aims at are zinc-oxide and gallium-oxide, which are crucial for a number of applications in microelectronics and sensorics.
Final report
Results in Hungarian
A jelen projekt célja vékonyrétegek és nanoszerkezetek készítése volt cink-oxidból, gallium-oxidból és ötvözeteikből atomi rétegleválasztással (ALD). Ez a két anyag olyan széles tiltott sávú félvezető, amelyek nagy érdeklődésre tartanak számot a LED gyártásban, szenzorikában és a katalízis területén is.
A ZnO gallium adalékolása sikeresen megoldható volt, és a kívánt tulajdonságú és összetételű anyagot sikerült leválasztani. A rétegek kristályosságát jól kézben lehetett tartani a leválasztási paraméterekkel, a hordozó megfelelő megválasztásával és utólagos hőkezeléssel, az elektromos tulajdonságokat pedig az adalékolással. Az eredmények egy nagy LED gyártó figyelmét is felkeltették, és átlátszó elektródaként tesztelték termékeikhez.
A gallium-oxid ALD technológiája új volt a project kezdetén, és az általam használt prekurzort is újonnan találták fel. A leválasztott rétegek kiváló minőségűek, simák és homogének. A leválasztási paraméterek, a Zn adalékolás és utólagos hőkezelések pontos megválasztásával az anyaggal kapcsolatban felmerülő problémák nagy részét sikeresen kiküszöböltem (alacsony vezetőképesség, Ohmos kontaktus hiánya, rossz kristályosság).
Mindkét anyagot sikerült hidrotermális leválasztással is elkészíteni, és így e két módszer kombinálásával sokféle nanoszerkezetet sikerült elkészíteni, köztük orientált oszlopokat, nanocsöveket és kaktuszokat.
Ezeket az eredményeket a közeljövőben több alkalmazáshoz is fel fogjuk használni laboratóriumunkban.
Results in English
The aim of the present project was to prepare thin films and nanostructures from ZnO, gallium oxide and their alloys: wide bandgap semiconductors promising for LED manufacturing, sensorics and catalysis.
The gallium doping of ZnO was very successful and the required material properties could be reached. The crystallinity of the films could be controlled through the deposition parameters, the choice of substrate and post annealing procedures, while the electrical properties depended on the doping concentration. The prepared layers were also examined as transparent electrodes for a major LED manufacturer.
The atomic layer deposition of gallium oxide was a new procedure at the beginning of the project, and the used precursor was completely novel. Uniform and smooth layers could be grown with a self-limiting and well controlled ALD process, but the growth parameters suited the specifications of our equipment perfectly. With the tuning of the deposition parameters, doping and post-annealing, a number of problems hindering the widespread use of this material could be overcome (e.g. Low conductivity, lack of Ohmic contacts, low crystallinity). The Zn doping was effective, and resulted in improved electrical properties.
The hydrothermal growth of both materials was successful, and nanoarchitectures could be prepared with the combination of the two methods, including nanosized conumns, pipes and cacti.
All of these results can be applied in the near future in our laboratory.
Krisztiány Kertész, Zsófia Baji, András Deák, Gábor Piszter, Zsolt Rázga, Zsolt Bálint, László Péter Bíró,: Additive and subtractive modification of butterfly wing structural colors, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215038220301266, 2021
Szabó Zoltán, Cora Ildiko, Horváth Zsolt, Volk János, Baji Zsófia: Hierarchical oxide nanostructures fabricated with atomic layer deposition and hydrothermal growth, Nano-Structures and Nano-Objects 13: pp. 100-108., 2018
Zoltán Szabó, Zsófia Baji, Péter Basa, Zsolt Czigány, István Bársony,Hsin-Ying Wang, János Volk: Homogeneous transparent conductive ZnO:Ga by ALD for large LEDwafers, Applied Surface Science 379 (2016) 304–308, 2016
Cora Ildikó, Baji Zsófia, Fogarassy Zsolt, Szabó Zoltán, Pécz Béla: Structural study of MgO and Mg-doped ZnO thin films grown by atomic layer deposition, MATERIALS SCIENCE IN SEMICONDUCTOR PROCESSING 93: pp. 6-11., 2019
