НАНОМАТЕРИАЛЫ И СТРУКТУРЫ ДЛЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ И РАДИОФОТОНИКИ: ПОЛУЧЕНИЕ, НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ

Объектом исследований и разработок являются электрохимические свойства нанопористого кремния с графеноподобным покрытием для применения в качестве электродов суперконденсаторов; композитные материалы на основе МУНТ и оксидов переходных металлов, полученные непосредственно на поверхности алюминиевой фольги; магнитный сорбент на основе углеродных нанотрубок, модифицированных наночастицами магнетита; широкозонные полупроводниковые материалы (AIIIBV, SiC, ZnO); 2D материалы, содержащие сверхрешетки Муара, которые позволяют изменять электронные спектры 2D систем; графеноподобные пленки (ГПП) выращенные на подложках Si/SiO2; мемристивные структуры на основе низкоразмерных материалов; МОП-структуры на основе полупроводниковых соединений III-V и high-k диэлектриков; фотонный кристалл ниобат лития конгруэнтного состава; сегнетоэлектрические пленки; графен; поверхностные плазмон-поляритоны в металлической нанопленке; широкополосный однофотонный детектор микроволнового диапазона; эпитаксиальные микро- и наноструктуры, W на MgO/GaAs, Ni и Fe на сапфире, гетерогенные нанопроволоки из ферромагнитных металлов, резонансно-туннельные диоды GaAs/AlGaA. Целью научных исследований является развитие методов получения новых материалов для наноэлектроники и радиофотоники, наноструктурирования и создания перспективных устройств электронной компонентной базы. В части развития методов получения новых материалов целями являются изучение различных технологических особенностей процессов синтеза новых материалов, исследование возможностей газофазного синтеза низкоразмерных материалов, магнетронного напыления сегнетоэлектрических тонких пленок, синтеза нанотрубок различного состава, а так же графеновых слоев и производных графена (GrO, GrN, GrF …). На основе полученных материалов будут создаваться тестовые приборные структуры для исследования их свойств и возможности применения в микро- и наноэлектронике. К таким материалам можно отнести наностержни полупроводников и диэлектриков, композитные материалы на основе углеродных нанотрубок, металл-углеродных и металлогидрид–углеродных наноструктурированных материалов, графена и его производных. Исследование графеновых и гибридных структур, других структурно родственных материалов (слоистые материалы, способные к расщеплению на отдельные плоскости и может быть топологические изоляторы и др.) и освоение технологий получения макроскопических по площади и объемам образцов с целью их возможного использовании в массовом производстве. Создание и исследование полупроводниковых гетероструктур на основе квантовых ям, квантовых проволок, квантовых точек. Эти объекты кроме большого фундаментального интереса представляют и значительные возможности практического использования как основа развития элементной базы микро- и наноэлектроники на новых физических принципах и квантовой электроники. Разработка мемристивных структур на основе низкоразмерных материалов и создание новых элементов памяти на основе мемристоров. Исследования характеристик мемристора показали, что его можно применять и в качестве элемента памяти ReRAM. В основе этих возможностей лежит эффект биполярного резистивного переключения в структурах на основе оксидных соединений. Компьютерное исследование особенностей физических механизмов бистабильных резистивных переключений в гетероструктурах металл-изолятор-металл с учетом технологических неоднородностей. Развитие теоретических моделей технологических процессов нано- и микроструктурирования с использованием тонко сфокусированных пучков заряженных частиц и света, процессов проявления и травления. Оптимизация технологических процессов для достижения высокого разрешения и предельной производительности. Создание моделей и оптимизация функционирования изделий нано- и микроэлектроники, наноэлектромеханических систем. Разработка алгоритма подготовки данных для создания 2D и 3D объектов с помощью оптических литографов, использующих программируемую апертуру. Разработка физико-технологических основ и изучение электрических, магнитных и оптических свойств твердотельных наноструктурированных антистоксовых люминофоров, легированных редкоземельными металлами, для солнечной энергетики и трехмерного лазерного телевидения; полупроводниковых гетероструктур, содержащих малое число квантовых ям, разделенных туннельно прозрачными барьерами; магнитных метаматериалов и эпитаксиальных наноструктур на основе ферромагнитных, антиферромагнитных и половинных металлов, сверхпроводников и диэлектриков для применений в спинтронике и терагерцовой/дальней инфракрасной фотонике; моделей зарядового и спинового транспорта в наноразмерных проводниках с шероховатыми границами раздела и их экспериментальная модельная верификация в интересах суб-10 нм электроники; электрохимических и гибридных микросистем применительно к новым электрохимическим датчикам, базирующимся на микроэлектронной технологии, и превосходящих по своим параметрам имеющиеся аналоги. Широкое развитие микросистемной техники и беспилотных воздушных, морских и транспортных средств требует использования различных датчиков физических величин, прежде всего сверхминиатюрных. Исследование фундаментальных основ и принципов функционирования энергоэффективных датчиков физических величин на основе 1D и 2D кристаллов нацелено на разработку датчиков различных величин, включая беспроводные датчики - датчики Холла, датчики UV-излучения, датчики давления, QCM-датчики, датчики температуры, датчики ускорения, газовые датчики. Основными методами исследования, использовавшимися в данной НИР, были: атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия, рамановская спектроскопия, газофазный химический синтез, магнитная твердофазная экстракция, метод химического осаждения из паровой фазы при низком давлении с однократным напуском ацетилена, ионо-плазменное осаждение пленок ниобата лития при вариации режимов процесса, электронно-лучевое напыление тонких пленок элементарных сверхпроводников и двухслойных структур сверхпроводник-нормальный металл, фотолитография, электроннолучевая литография, четырехзондовые электрические измерения при температурах от комнатной до жидкого гелия, FTIR спектроскопия в дальнем ИК и ТГц диапазонах. Важнейшими результатами работы являются: (1) Для электродов электрохимических конденсаторов достигнуты максимальные значения удельной ёмкости и стабильности нанопористого кремниевого слоя с графеноподобным покрытием. (2) Формирование композитных материалов MnO2/МУНТ/Al и FeOx/МУНТ/Al непосредственно на поверхности алюминиевой фольги позволило использовать полученные материалы в качестве анода и катода асимметричного суперконденсатора. Удельная ёмкость материала анода может достигать значения 120 Ф/г, а материала катода – 175 Ф/г при скорости сканирования 100 мВ/с соответственно. (3) Модификация углеродных нанотрубок, синтезированных на никелевом катализаторе, магнитными наночастицами позволяет использовать образовавшийся композит не только в статическом, но и в динамическом методе твердофазной экстракции. (4) Предложен новый способ повышения чувствительности и стабильности чувствительных элементов датчиков УФ излучения на основе массивов наностержней ZnO за счёт помещения чувствительного элемента во влажную атмосферу в течение длительного времени. (5) Показано, что пленки турбостратного мультислойного графена, выращенные на пленках железного катализатора, демонстрируют спектры комбинационного рассеяния, характерные для монослойного графена. (6) Созданные на основе графеноподобных пленок структуры были использованы в качестве псевдо-полевой транзисторной структуры, при этом наблюдалась заметная модуляция тока в селективно выращенной графеноподобной пленке. (7) Продемонстрировано, что функционализация низкоразмерных материалов ионной обработкой позволяет контролировать их электронные и структурные свойства для создания оптимальных характеристик фотомемристивных устройств. (8) Получены МОП-структуры Au/HfO2/p-GaAs с эффективной модуляцией емкости без введения дополнительных слоев, пассивирующих поверхность GaAs. (9) Разработан эффективный алгоритм для численного решения уравнения, описывающего пространственное распределение электрического потенциала при прямой электронно-лучевой записи больших регулярных структур из сегнетоэлектрических доменов на –Z срезе ниобата лития и при резистивных переключениях в мемристивной планарной структуре на основе легированного манганита La1 xSrxMnO3. (10) Исследованы условия и особенности записи и ограничения, возникающие при формировании больших массивов регулярных субмикронных доменов. Обнаружена особая иглообразная форма вершин субмикронных доменов и их заглубление относительно поверхности. (11) Экспериментально продемонстрировано, что как поведение фотоосцилляций в магнитном поле, так и зависимость подавления неосциллирующей компоненты фототока с магнитным полем для различных длин волн подтверждает применимость нашей модели фотоосцилляций в однобарьерных GaAs/AlAs p-i-n структурах. (12) Впервые найдены оптимальные двухслойные материалы для широкополосного однофотонного детектора на основе Ti/Pt, разработана технология детектора, подтверждена работоспособность детектора на сверхнизких мощностях излучения, продемонстрировано детектирование на неоптимальных структурах ~ 50 фотонов с частотой > 9 ГГц и определены условия микроволнового однофотонного детектирования. (13) Найдены сильные нелокальные эффекты, в наноструктурах W(001) типа крестов, обусловленные баллистическим переносом электронов при T=80 K. (14) Впервые обнаружен большой эффект анизотропного магнетосопротивления (6%) на эпитаксиальных пленках никеля на сапфире. (15) В спектре излучения гетерогенных нанопроволок впервые показано наличие двух компонент, тепловой и спин-инжекционной. Сравнение спектров излучения и поглощения измерений показывает их аномальное поведение в диапазоне частот 15 17 ТГц.