Environmentally friendly semiconductors: iron silicide nanostructures  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81998
Type K
Principal investigator Molnár, György
Title in Hungarian Környezetbarát félvezetők: vas-szilicid nanoszerkezetek
Title in English Environmentally friendly semiconductors: iron silicide nanostructures
Keywords in Hungarian vékonyrétegek, nanoszerkezetek, önszerveződés, napelem anyagok
Keywords in English thin film, nanostructures, self-assembly, solar cell materials
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)70 %
Physics (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Surface physics
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Participants Dózsa, László
Petö, Gábor
Starting date 2010-05-01
Closing date 2014-04-30
Funding (in million HUF) 9.425
FTE (full time equivalent) 3.70
state closed project
Summary in Hungarian
A fotovoltaikus technológiák a Nap bőségesen rendelkezésre álló energiáját alkalmazzák és elhanyagolható a környezeti hatásuk. A napenergia gyakorlati felhasználása néhány megoldandó problémát vet fel. A napelemek jövőbeli gyártási folyamatának: (i) környezetbarátnak kell lennie, kerülvén a mérgező anyagokat, (ii) olyan kémiai elemeket kell használnia, amelyek bőségesen előfordulnak a földkéregben, és (iii) költség hatékonynak kell lennie, pl. félvezető minőségű szilícium helyett napelem minőségű Si-t kell használnia fém-szennyezőkkel.
A β-FeSi2-t javasolják jövőbeli lehetséges napelem anyagnak, ami két bőségesen rendelkezésre álló és nem mérgező komponensből áll. A β-FeSi2 napelemek elméleti hatásfoka 23%. A β-FeSi2 vékonyrétegeknek, és a napelem minőségű szilíciumba ágyazott β-FeSi2 nanorészecskéknek is van potenciális felhasználási lehetőségük a fotovoltaikus technológiában.
A jelen projektjavaslat megvalósítása során vas-szilicid nanoszerkezeteket szándékozunk készíteni hagyományos vékonyréteg technológiai berendezésekben, részben önszerveződési folyamatokkal, és vizsgálni kívánjuk ezek tulajdonságait, úgymint a fázis kialakulást, a morfológiát, az elektromos jellemzőket és az elektronszerkezetet. A kapott mérési eredmények új utakat mutatnak a következő lépések irányába, hogy optimalizálni tudjuk a kialakult nanoobjektumok, – amelyek lehetnek vékonyrétegek és nanorészecskék, -tulajdonságait.
Mintakészítéshez UHV párologtatókat, lézeres és ionos felületmódosítást, a minták jellemzésére RHEED, XPS, UPS SEM, AFM, és elektromos méréseket (I-V, C-V, DLTS) szándékozunk használni.
Végül, az összegyűjtött megfigyelésekre alapozva, meg szeretnénk alkotni vas-szilicid nanoszerkezetek kialakulásának egységes leírását.
Summary
Photovoltaic technology use the abundant energy of the sun, and it has negligible impact on the environment. The practical realization of the use of solar energy has some problems to solve. The future manufacturing process of solar cells should be: (i) environmentally friendly, avoiding toxic materials (ii) have to use chemical elements, which are found abundant in the earth crust and (iii) cost effective, e.g. this should apply solar grade silicon with metal impurities instead of semiconductor grade Si.
As a possible material for future solar cells β-FeSi2 was suggested that consists of two abundant and nontoxic elements. The theoretical efficiency of β-FeSi2 solar cells is 23%. Both β-FeSi2 layers and β-FeSi2 nanoparticles in solar grade silicon have potential applications in photovoltaic technology.
During realization of the recent proposal we intend to prepare iron silicide nanostructures in traditional thin film technology equipments, partially by self-assembly process, and to investigate their properties, like phase formation, morphology, electronic properties and electronic structure. The results of the measurements open new roads for the next steps in order to optimize the features of the evolved nanoobjects, which might be thin films or nanoparticles.
UHV evaporators, laser and ion surface modifications are intended to use for sample preparation and RHEED, XPS, UPS SEM, AFM, and electronic measurements (I-V, C-V, DLTS) for characterization.
At the end, on the ground of the collected observations we are going to create a standardized description of the iron silicide nanostructure formation.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Vas-szilicid nanoszerkezeteket állítottunk elő vákuumpárologtatással és különböző hőkezelési eljárásokkal, a deformáció indukált önszerveződés jelenségeit felhasználva. A kialakult szigetek mérete, eloszlása, és fázisai a kezdeti Fe réteg vastagságának és hőkezelésének a függvényei. A szigetek sűrűsége csökken a hőkezelési hőmérséklet növekedésével, miközben méretük növekszik. A vastagabb rétegekből készült mintákon a nanoszerkezetek mérete is nagyobb, sűrűségük kisebb. Ezeket a változásokat az Ostwald-érés jelensége okozza. A nanoobjektumok a félvezető béta-FeSi2 fázis mellett, epitaxiálisan stabilizálódott, fémes tulajdonságú alfa-FeSi2, és gamma-FeSi2 fázisokat is tartalmaztak. A nanorészecskék alakja ugyancsak a kialakítási paraméterek függvénye. Magasabb hőkezelési hőmérsékleteken határozott, kristálylapokkal határolt alakot vesznek fel, és beállási irányuk az epitaxiális növekedés következtében megfelel a hordozó Si egykristály fő irányainak: Si(001) hordozón az objektumok egymásra merőlegesek, Si(111) hordozó esetén egymással 60°-os szöget zárnak be. Kimutattuk a FeSi fázisból FeSi2 fázissá átalakulás nukleáció kontrollált növekedési módjának megjelenését nanoméretekben. A vas-szilicid vékonyrétegek és a nanorészecskék új típusú, környezetbarát és olcsó napelemek megvalósítását tehetik lehetővé.
Results in English
Iron silicide nanostructures were prepared by vacuum evaporation and by different annealing processes, using the deformation induced self-assembly phenomena . The size, the distribution, and the formed phases are the functions of the initial Fe thickness and of the annealing. The rising of the annealing temperature reduces the density of the islands, while their size increases. The sizes of nanostructures made of thicker films are larger and their density is lower. These changes are caused by Ostwald ripening phenomena. The nanoobjects contain in addition to semiconducting beta-FeSi2 phase, epitaxially stabilized, metallic gamma-FeSi2, and alpha-FeSi2 phases too. The shapes of the nanoparticles are as well the functions of the preparation parameters. In case of higher annealing temperatures, the shapes of the nanostructures are more faceted, their orientation corresponds to the main directions of the monocrystalline Si substrate: In case of Si(001), the objects are located in rectangular directions to each other, while in case of Si(111) their angle is 60° to each other. We demonstrated the appearance of the nucleation controlled transition from FeSi phase to FeSi2 phase at nanoscale. The iron silicide thin films and nanoparticles may allow the implementation of a new type of environmentally friendly and low-cost solar cells.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81998
Decision
Yes





 

List of publications

  
Galkin NG; Dózsa L; Chusovitin EA; Pécz B; Dobos L: Migration of CrSi2 nanocrystals through nanopipes in the silicon cap, Applied Surface Science 256: 7331-7334, 2010
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Koós A; Vouroutzis N; Dimitriadis CA; Paraskevopoulos KM: Reactive deposition epitaxy growth of iron silicide nanoparticles on Si(001), Energy Procedia 3: 35-41, 2011
Galkin NG; Dózsa L; Chusovitin EA; Dotsenko SA; Pécz B; Dobos L: Influence of CrSi2 nanocrystals on the electrical properties of Au/Si-p/CrSi2 NCs/Si(111)-n mesa-diodes, Physics Procedia 11: 35-38, 2011
Dózsa L; Molnár G; Raineri V; Giannazzo F; Ferencz J; Lányi S: Scanning tip measurement for identification of point defects., Nanoscale Research Letters 6: 140 (5 pages), 2011
Dózsa L; Lányi Š; Raineri V, Giannazzo F, Galkin NG: Microscopic study of electrical properties of CrSi2 nanocrystals in silicon, Nanoscale Research Letters 6: 209 (5 pages), 2011
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Baji Z; Pető G: Thickness and annealing dependent morphology changes of iron silicide nanostructures on Si(001)., Physica Status Solidi C 9(6): 1366-1369 (2012), 2012
Molnár G; Dózsa L; Z. Vértesy, G. Pető, Z. Baji: Growth of iron silicide nanostructures by different annealing methods on Si(001), EuroNanoForum, Budapest, 30 May-Jun 1, 2011
Dózsa L; Molnár G; Lányi S: Scanning tip measurement of electrical properties of Fesi2/Si nanostructures, EuroNanoForum, Budapest, 30 May-Jun 1, 2011
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Pető G; Baji Z: Growth of iron silicide nanostructures on Si(001), International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces ICFSI-13, Juli 3-8, Praque, 2011
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Khanh NQ: Annealing dependent formation of epitaxial iron silicide nanoparticles on Si(001), Advanced materials and characterization techniques for solar cells. E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France), May 14 to 18, 2012
Dózsa L; Molnár G; Zolnai Z; Dobos L; Pécz B; Dotsenko SA; Fomin DV; Bezbabny DA; Galkin NG: Formation and characterization of semiconductor Ca2Si layers prepared on p-type silicon covered by amorphous silicon cap, Unconventional Thermoelectrics: from new materials to energy conversion devices, E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France) from May 14 to 18, 2012
Dózsa L; Molnár G; Zolnai Z; Dobos L; Pécz B; Galkin KN; Galkin NG: Growth – microscopic, electrical and thermoelectric characteristics of buried Mg2Si nanostructures, Unconventional Thermoelectrics: from new materials to energy conversion devices, E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France) from May 14 to 18, 2012, 2012
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Khanh NQ: Formation Properties of epitaxial iron silicide nanostructures on Si(001), Book of Abstract of 14th Joint Vacuum Conference and 12th European Vacuum Conference, p. 97. June 4-8 2012, Dubrovnik, Croatia, 2012
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Horváth ZsJ: Iron silicide nanostructures prepared by e-gun evaporation and annealing on Si(001)., Materials Research society Symposium Proceedings Vol. 1534, DOI: 10.1557/opl.2013.295, 2013
Dózsa L, Molnár G, Zolnai Z, Dobos L, Pécz B, Galkin NG, Dotsenko SA, Bezbabny DA, Fomin DV: Formation and characterization of semiconductor Ca2Si layers prepared on p-type silicon covered by an amorphous silicon cap, Journal of Materials Science 48 (7) 2872-2882, 2013
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Horváth ZsJ: New optoelectronic materials: Effects of annealing upon the formation of epitaxial iron silicide nanostructures on Si(001), Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 51: 79-86, 2013
Molnár G: Epitaxy in solid phase thin film reactions: Nucleation controlled growth of iron silicide nanostructures on Si(001), Journal of Materials Research, in press, Published online: 23 April 2013, http://dx.doi.org/10.1557/jmr.2013.64, 2013
Galkin NG; Dózsa L; Chusovitin EA; Pécz B; Dobos L: Migration of CrSi2 nanocrystals through nanopipes in the silicon cap, Applied Surface Science 256: 7331-7334, 2010
Dózsa L; Molnár G; Raineri V; Giannazzo F; Ferencz J; Lányi S: Scanning tip measurement for identification of point defects., Nanoscale Research Letters 6: 140 (5 pages), 2011
Dózsa L; Lányi Š; Raineri V, Giannazzo F, Galkin NG: Microscopic study of electrical properties of CrSi2 nanocrystals in silicon, Nanoscale Research Letters 6: 209 (5 pages), 2011
Molnár G; Dózsa L; Z. Vértesy, G. Pető, Z. Baji: Growth of iron silicide nanostructures by different annealing methods on Si(001), EuroNanoForum, Budapest, 30 May-Jun 1, 2011
Dózsa L; Molnár G; Lányi S: Scanning tip measurement of electrical properties of Fesi2/Si nanostructures, EuroNanoForum, Budapest, 30 May-Jun 1, 2011
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Pető G; Baji Z: Growth of iron silicide nanostructures on Si(001), International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces ICFSI-13, Juli 3-8, Praque, 2011
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Khanh NQ: Annealing dependent formation of epitaxial iron silicide nanoparticles on Si(001), Advanced materials and characterization techniques for solar cells. E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France), May 14 to 18, 2012
Dózsa L; Molnár G; Zolnai Z; Dobos L; Pécz B; Dotsenko SA; Fomin DV; Bezbabny DA; Galkin NG: Formation and characterization of semiconductor Ca2Si layers prepared on p-type silicon covered by amorphous silicon cap, Unconventional Thermoelectrics: from new materials to energy conversion devices, E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France) from May 14 to 18, 2012
Dózsa L; Molnár G; Zolnai Z; Dobos L; Pécz B; Galkin KN; Galkin NG: Growth – microscopic, electrical and thermoelectric characteristics of buried Mg2Si nanostructures, Unconventional Thermoelectrics: from new materials to energy conversion devices, E-MRS 2012 Spring Meeting, Strasbourg (France) from May 14 to 18, 2012, 2012
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Khanh NQ: Formation Properties of epitaxial iron silicide nanostructures on Si(001), Book of Abstract of 14th Joint Vacuum Conference and 12th European Vacuum Conference, p. 97. June 4-8 2012, Dubrovnik, Croatia, 2012
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Horváth ZsJ: Iron silicide nanostructures prepared by e-gun evaporation and annealing on Si(001)., Materials Research Society Symposium Proceedings Vol. 1534, A31-A36, DOI: 10.1557/opl.2013.295, 2013
Dózsa L, Molnár G, Zolnai Z, Dobos L, Pécz B, Galkin NG, Dotsenko SA, Bezbabny DA, Fomin DV: Formation and characterization of semiconductor Ca2Si layers prepared on p-type silicon covered by an amorphous silicon cap, Journal of Materials Science 48 (7) 2872-2882, 2013
Molnár G, Dózsa L, Vértesy Z, Horváth ZsJ: New optoelectronic materials: Effects of annealing upon the formation of epitaxial iron silicide nanostructures on Si(001), Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 51: 79-86, 2013
Molnár G: Epitaxy in solid phase thin film reactions: Nucleation controlled growth of iron silicide nanostructures on Si(001), Journal of Materials Research, 28 (13) 1724-1728, 2013
Molnár G; Dózsa L; Vértesy Z; Horváth ZsJ:: Thickness dependent growth of epitaxial iron silicide Nanoobjects on Si(001)., Proceedings of the International Conference Nanomaterials: Applications and Properties. Vol. 2, No 2, 02PCN21(4pp) (2013), 2013
Molnár G; Dózsa L, Vértesy Z; Pető G: Growth of epitaxial iron silicide nanostructures by solid phase thin film reactions on Si(001) substrates, Abstract Book of 10th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies p. 179, 9-12 July, Thessaloniki, Greece, 2013
Galkin NG; Dózsa L; Galkin KN; Dotsenko SA; Chernev IA; Molnár G; Dobos L; Pécz B: Growth characterization of Si/2D Mg2Si/Si(111) quantum structures., Abstract Book of 10th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies p. 185, 9-12 July, Thessaloniki, Greece, 2013
Dózsa L; Molnár G; Hajnal Z; Erdélyi R;: Investigation of the morphology and local electrical transport of silicon-silicide nanostructures by scanning probe microscopy, Abstract Book of 10th International Conference on Nanosciences & Nanotechnologies p. 185, 9-12 July, Thessaloniki, Greece, 2013
Molnar G, Vértesy Z, Koós AA, Dózsa L: Strain-induced, self-assembled growth of iron silicide nanostructures on Si(001) substrates, Applied Surface science (közlésre elküldve), 2014
Molnár György: Nanoszerkezetek kialakítása környezetbarát napelemekhez, OTKA -Élet és Tudomány cikkpályázat (beküldve 2013-ban, nem nyert, még nem közölték), 2014
Molnár György: Szilárdfázisú reakciók és önszerveződési jelenségek vékonyrétegek és nanoszerkezetek kialakításában, MTA Doktori értekezés, várható benyújtás: 2014 június, 2014



Back »