Исследование поверхностных свойств тонких пленок оксидов металлов и сегнетоэлектриков с целью формирования гетероструктур на их основе для создания функциональных элементов электроники и фотовольтаики

В проекте предполагается исследовать поверхностные состояния тонких пленок оксидов цинка и кобальта, пленок цирконата-титаната свинца (ЦТС) с целью регулирования их электрофизических параметров для создания энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Указанные неорганические материалы являются широкозонными полупроводниками. Тонкие пленки оксида цинка проявляют пьезоэлектрический и термовольтаический эффект. Оксид кобальта, является полупроводником р-типа проводимости, применяется при изготовлении солнечных элементов, фотоэлементов, сенсоров газов, суперконденсаторов, магнитных и других материалов. Тонкие пленки ЦТС (до 1 мкм) обладают сегнетоэлектрическим и пироэлектрическими свойствами и применяются в харвестерах энергии. Кроме этого, нанокристаллические материалы обладают уникальными свойствами, отличными от свойств массивных материалов того же состава в силу большой удельной площади поверхности и большого количества границ раздела между гомо- и гетероструктурами. Однако указанные границы раздела, как правило, исследуются недостаточно. Научная новизна представленного проекта заключается в том, что будут комплексно исследоваться поверхностные, дефектные и зарядовые свойства тонких пленок оксидов металлов и ЦТС электрофизическими и оптическими методами, атомно-силовой микроскопией (АСМ), (Кельвин-зондовой силовой микроскопией (Метод Зонда Кельвина, KPFM, SKPM), силовой микроскопии пьезоотклика (СМП), рентгенофотоэлектронной спектроскопией (РФЭС), рентгенофазовым анализом (РФА), рамановской спектроскопией, растровой электронной микроскопией (РЭМ), просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ). Это приведет к картированию потенциальных барьеров на поверхности пленок, и механизма переноса зарядов в них, а также к определению величин поверхностных электрических полей что несомненно будет полезным при изготовлении прозрачных фотовольтаических, газочувствительных устройств и преобразователей энергии на основе тонких пленок исследуемых материалов. Будет проведено численное моделирование гетороструктур (оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа) с целью получения функциональных элементов с перспективными параметрами. В итоге, на основе полученных знаний, будут формироваться гетероструктуры оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа, в которых, за счет согласования энергетических уровней оксидов металлов и сегнетоэлектрика, формирования сильного поверхностного электрического поля будут получены уникальные фотоэлектрические свойства с целью создания функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Тонкие пленки ЦТС будут сформированы одностадийным методом ВЧ-реактивного распыления, который позволяет получать пленки сложных соединений, каковыми являются сегнетоэлектрические материалы, того же стехиометрического состава, что и многокомпонентная мишень. Формирование сегнетоэлектрических пленок происходит в промышленных установках для получения тонких гетероэпитаксиальных пленок сложных оксидов серии «Плазма» и не требует дополнительного термического отжига. Основные параметры формирования тонких пленок (парциальное давление газа в камере, температуру формирования, приложенную к электроду мощность, время формирования, размеры области плазменного свечения) контролируются в автоматическом режиме. Формирование пленок нанокристаллических оксидов металлов (оксиды цинка, кобальта) будет происходить на основе химических и физических методов. Физические методы (магнетронное распыление оксидов, напыление пленок металлов с последующим окислением быстрым термическим отжигом). Химические методы формирования тонких пленок оксидов металлов регулируемой толщины (10-500 нм) базируются на новом методе твердофазного низкотемпературного пиролиза. Будут изучены структура, микроструктура, диэлектрические, электрофизические, физико-химические, а также поверхностные, дефектные и зарядовые свойства тонких пленок оксидов металлов и ЦТС, формируемых на различных подложках. Далее, будет проведено численное моделирование гетороструктур (оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа) с целью получения функциональных элементов с перспективными параметрами. Гетероструктуры оксид металла – сегнетоэлектрик, оксид металла p-типа – оксид металла n-типа будут формироваться на различных подложках (Si, SiO2/Si, Al2O3, MgO), содержащих свето- и электропроводный слой (ITO, ZnO и др.). Получаемые таким образом многослойные гетероструктуры будут исследованы с целью их использования в функциональных элементах электроники (фотоэлементы различного диапазона излучения, преобразователи механической и рассеянной энергии) и солнечных элементах. В проекте планируется разработать комплексный подход к исследованию поверхностных состояний тонких пленок оксидов цинка и кобальта, пленок ЦТС с целью регулирования их электрофизических параметров для создания энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики. Полученные экспериментальные данные о размерных, морфологических, механических, фотоэлектрических и других физико-химических свойствах синтезированных пленок, наноструктур и гетероструктур позволят сделать осознанный выбор целевых материалов и внести теоретический вклад в изучение процессов формирования энергоэффективных функциональных элементов электроники и фотовольтаики на основе тонких пленок оксидов металлов и сегнетоэлектриков с регулируемыми электрофизическими параметрами