Научные основы формирования субмикронных 3D-структур из наночастиц металлов и полупроводников для применений в электронике и фотонике

1. Проведено исследование условий термического и лазерного спекания массивов наночастиц металлов (Ag, Au) и оксидов (ZnO, SnO₂) для формирования структур с заданными электрическими, оптическими и механическими свойствами. В экспериментах использовались муфельная печь и импульсный лазер, параметры которых (температура, время спекания, мощность излучения) варьировались для оптимизации свойств массивов. - Установлено, что при лазерном спекании наночастиц Ag последовательное увеличение числа циклов осаждения и спекания с 1 до 10 позволяет снизить удельное сопротивление массива с 6,7⋅10⁻⁸ до 4,37⋅10⁻⁸ Ом∙м за счет циклического воздействия лазера и тонком осаждении материала. При плотности энергии излучения 6700–7900 Дж/см² сопротивление приближается к значению, характерному для объемного материала. Удельное сопротивление массивов Ag и Au, достигнутое в ходе спекания, превышает объемные значения в 2,2 и 5 раз соответственно. - Для термического спекания сферических наночастиц Ag диаметром 30 нм при 600 °C удельное сопротивление массива составило 6,1⋅10⁻⁸ Ом·м, что в 1,8 раза ниже, чем у линий из агломерированных частиц (10,9⋅10⁻⁸ Ом·м). Это обусловлено более плотной упаковкой при использовании сферических наночастиц. - Установлено, что оптимальная температура спекания наночастиц SnO₂ составляет около 650 °C, при которой материал достигает минимального удельного сопротивления. При дальнейшем увеличении температуры до 800 °C массив разрушался из-за разницы в термическом расширении SnO₂ и подложки. Удельное сопротивление SnO₂ демонстрирует полупроводниковое поведение, уменьшаясь с 28,9 до 0,6 Ом·м при нагреве от 100 °C до 300 °C. - Для массивов ZnO на основе сферических частиц увеличение температуры спекания до 1200 °C снижает удельное сопротивление до 2,8⋅10³ Ом·м в низковольтной области (до 800 В) и до 1,2⋅10³ Ом·м при высоких напряжениях (от 800 до 3000 В). Это связано с улучшением контактов между наночастицами. 2. Исследованы процессы фокусировки и осаждения аэрозольных наночастиц металлов (Ag / Au) и оксидов (ZnO / SnO₂) через множество открытых участков (диафрагм) электростатической матричной линзы при варьировании формы и размера диафрагмы, размеров и заряда аэрозольных наночастиц и поверхностного заряда электростатической матричной линзы. Получены следующие результаты: Уменьшение размеров диафрагмы электростатической матричной линзы сопряжено с уменьшением размеров формируемых структур. Сформированы субмикронные структуры с минимальным размером 360 нм; Форма структур повторяет форму диафрагмы электростатической линзы; Технологии сухой аэрозольной печати и электростатической фокусировки заряженных наночастиц применимы для печати структур из широкого спектра материалов, например, металлов (Ag / Au) или оксидов (ZnO / SnO₂); Средний размер и заряд аэрозольных наночастиц не существенно влияет на геометрические параметры структур. Тем не менее, с увеличением среднего размера наночастиц наблюдается снижение диффузионного расширения аэрозольного пучка, что приводит к меньшему разбросу наночастиц при осаждении; Поверхностная плотность заряда на электростатической линзе оказывает значительное влияние на процессы фокусировки и осаждения аэрозольных наночастиц: при увеличении разности потенциалов между линзой и подложкой с 5 до 35 В размер структур сократился с 105 до 20 мкм. 3. Проведено формирование субмикронных структур из золота и исследование их электрических и оптических свойств. Электрические свойства исследовались четырехзондовым методом, оптические – методом спектрофотометрии. Получены следующие результаты: Структуры из наночастиц золота в форме колонн высотой 3 мкм и толщиной от 290 нм до 1,1 мкм, без спекания продемонстрировали удельное сопротивление от 4,6⋅10⁻⁸ до 6,3⋅10⁻⁸ Ом·м, что лишь в 3 раза превышает значение для объемного золота. Матрицы структур из наночастиц золота в форме острий высотой от 160 до 640 нм и диаметром 210 нм проявили плазмонные резонансы на длинах волн от 575 до 664 нм в зависимости от высоты. Красное смещение резонансов коррелировало с увеличением размеров структур, что согласуется с теорией локализованных плазмонных резонансов. Возможность контроля высоты структур, влияющей на величину длины волны резонанса достигается изменением продолжительности печати, что открывает перспективы применения таких структур в биосенсорах, солнечных батареях и плазмонных лазерах. 4. Исследованы газочувствительные свойства структур из наночастиц SnO₂ и PdOₓ для детектирования метана. Сенсоры на их основе формировались путем аэрозольного осаждения наночастиц на подложку через матричную линзу. - Определен оптимальный состав газочувствительного слоя при отношении 30 % PdOₓ и 70 % SnO₂ (отклик 3,86 на 1 % концентрации метана, предел обнаружения 95 ppm) и 40 % PdOₓ и 60 % SnO₂ (отклик 5,18 на 1 % концентрации метана, предел обнаружения 45 ppm). - Увеличение содержания PdOₓ до 40 % повысило чувствительность сенсора на 34 % за счет каталитической активности материала. - Сенсоры продемонстрировали стабильную работу при температурах до 500 °C с энергопотреблением 140 мВт. 5. Выполнено сравнение сенсоров на основе наночастиц SnO₂, синтезированных методом импульсно-периодического газового разряда (ИПГР), с сенсорами из коммерческих золь-гель суспензий. - Сенсоры на базе наночастиц SnO₂, полученных в ИПГР, обладали 8-кратным увеличением проводимости при 100 ppm водорода с временем отклика ~1 с, на уровне лучших коммерческих образцов. - Изменение сопротивления при изменении влажности от 40 % до 80 % для таких сенсоров составляет ~20 % (против ~70 % для золь-гель сенсоров), что связано с минимальным количеством гидроксильных групп на поверхности наночастиц. - Метод ИПГР позволяет синтезировать наночастицы с высокой удельной поверхностью и стабильными характеристиками, что делает его перспективным для масштабируемого производства сенсоров. 6. Выполнено участие в следующих конференциях (6-ая Школа молодых ученых в рамках Российского форума “Микроэлектроника 2024”; Конференция с международным участием “Научное приборостроение – перспективы разработки, создания, развития и использования”; 67-ая Всероссийская научной конференция МФТИ). 7. Подготовлен отчет за 3 этап выполнения проекта. 8. Подготовлено 3 публикации в журналы, индексируемые в базе данных Web of Science и/или Scopus, включая 1 публикацию в издании “Journal of Aerosol Science”, входящего в первый квартиль Q1.