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

Настоящий проект посвящен разработке научных основ аддитивного изготовления трехмерных структур из наночастиц металлов (Ag, Au и др.) и полупроводников (ZnO, SnO2 и др.) в субмикронном масштабе размеров. Данные структуры за счет уникальных свойств наночастиц перспективны в качестве функциональных элементов электронных и оптических устройств, например, для создания микросборок и 3D-межсоединений, меток радиочастотной идентификации (RFID), газовых и биологических сенсоров, плазмонных структур, например, SERS-датчиков, солнечных батарей, дисплеев и интегральных схем. Известно, что изготовление трехмерных структур требует прецизионного осаждения (фокусировки) материала в нужную область на подложке. На текущий момент для этого используются специальные фокусирующие сопла и/или аэродинамические линзы, а минимальный размер структур, формируемых с помощью таких устройств лимитируется броуновским смещением наночастиц и составляет порядка 5-10 мкм. Существующий масштаб фокусировки (5-10 мкм) является недостаточным для многих электронных и оптических применений, где необходима высокая плотность размещения элементов и их малые размеры. Для решения данной проблемы необходимы поисковые исследования новых принципов фокусировки пучков наночастиц, основанных на использовании сил, способных подавить броуновское смещение частиц. Таковой является электростатическая сила, действующая на заряженные частицы на дальних расстояниях и доминирующая над импульсом броуновского движения в области высоких напряженностей электрического поля. Научная новизна данного проекта заключается в том, что будет разработан и исследован новый метод электростатической фокусировки аэрозольных наночастиц в пучки субмикронного размера с помощью электростатической матричной линзы с множеством отверстий. При этом в качестве источника наночастиц размером 2-30 нм будет использоваться импульсно-периодический газоразрядный генератор (оригинальная разработка авторов проекта), а матричная линза будет выполнять функцию шаблона, рисунок отверстий которой будет соотноситься с геометрией формируемых 3D-структур. По предварительным расчетам определено, что броуновское движение частиц вблизи заряженной поверхности линзы будет пренебрежимо мало т.к. кинетическая энергия частиц (~500 мэВ) в электростатическом поле будет намного больше, чем их энергия теплового движения (~kT). Таким образом, это позволит подавить эффект броуновского смещения (уширения) пучка и сформировать структуры субмикронного диапазона размеров. В целях апробации разрабатываемый метод будет реализован на примерах формирования прозрачных сетчатых электродов, плазмонных решеток для видимого и инфракрасного диапазонов длин волн с горизонтальным и вертикальным расположением элементов субмикронных размеров и газочувствительных элементов сенсоров.