Heteroštruktúry na báze diamantu pre snímacie prvky

Pracovníci  | Publikácie  |   Späť

 

 

Rôzne snímacie prvky sa stali neoddeliteľnou súčasťou moderného života. Technológie detektorov a senzorov zlepšili každodenný život ľudí prostredníctvom ich aplikácií takmer vo všetkých oblastiach. Na výrobu rôznych detektorov a senzorov sa používajú rôzne druhy materiálov, ako je kremík, oxidy kovov, perovskity, dichalkogenidy prechodných kovov alebo materiály na báze uhlíka. Jednou z primárnych požiadaviek na výrobu snímačov pre dizajnéra je základná znalosť prinášaného nového funkčného materiálu, ktorý je citlivý a selektívny na monitorované udalosti.

Diamant si získal povesť výnimočne všestranného materiálu vďaka svojim atraktívnym fyzikálnym a chemickým vlastnostiam, ako je robustnosť, nízka dielektrická konštanta, široký bandgap, vynikajúca transparentnosť, vysoká tepelná vodivosť a biokompatibilita. Tieto fascinujúce vlastnosti robia z diamantu sľubného kandidáta pre rôzne aplikácie, t. j. ako rezné a leštiace nástroje, vysoko-výkonové zariadenia, bioelektronické zariadenia alebo senzory aj do drsného prostredia a podobne. Navyše v kombinácii s inými materiálmi vo forme nových heteroštruktúr, vzájomná interakcia na ich rozhraniach ďalej ponúka výhodné vlastnosti pre výrobu nových zariadení a senzorov, ktoré ďalej rozširujú ich použiteľnosť. Na našom oddelení sa zameriavame na návrh, výrobu a charakterizáciu heteroštruktúr na báze diamantu a hybridných systémov a prípravu nových snímacích prvkov z nich vyrobených. Ako základné materiály pre takéto heteroštruktúry kombinujeme najmä diamant s tenkými vrstvami dichalkogenidov prechodných kovov (TMD), nitridu gália a oxidu gália. Aby sme splnili naše ambiciózne ciele, zameriavame sa na základný materiálový výskum, ako aj aplikovaný výskum prostredníctvom testovania pripravených snímacích prvkov.

 

1. Základný výskum diamantových heteroštruktúr

 

Výroba heteroštruktúr na báze diamantu s tenkými vrstvami dichalkogenidov prechodných kovov (TMD) sa uskutočňuje v dvoch rôznych konfiguráciách: i) rast vrstiev TMD na diamante a ii) rast diamantu na vrstvách TMD. Takáto kombinácia opačných a komplementárnych konfigurácií umožňuje komplexné skúmanie fyzikálnych vlastností TMD/diamantových heteroštruktúr. Ako príklad je na Obr. 1a zobrazený optický snímok hraničnej oblasti medzi nukleovanou a nenukleovanou oblasťou po depozícii diamantu. Nukleovaná oblasť je prerastená súvislou vrstvou nanokryštalického diamantu (obrázok SEM na Obr. 1b). Nenukleovaná oblasť odhaľuje poškodený povrch s lokálne zarastenými ložiskami na báze uhlíka iniciovanými spontánnou nukleáciou diamantu. Avšak Ramanove merania (Obr. 1c) potvrdili, že vrstva MoS2 na nenukleovanej oblasti prežila drsné prostredie plazmy počas rastu diamantu.

Obr. 1 a) Optický snímok vyrobenej heteroštruktúry MoS2/diamant zameraný na rozhranie nukleovanej a nenukleovanej oblasti na vzorke. b) SEM snímky a c) Ramanove spektrá referenčnej a prerastenej vrstvy MoS2.

 

Okrem rôznych typov TMD (MoS2, MoSe2, PtSe2, MoTe2 atď.) sa zaoberáme aj heteroštruktúrami na báze diamantov v kombinácii s kovmi a materiálmi typu GaN, AlGaN, Ga2O3 v podobe rôznych snímacích a optoelektronických prvkov. Obr. 2a ukazuje príklad materiálov GaN a Ir prerastených súvislou vrstvou polykryštalického diamantu, kde je jasne viditeľné rozhranie medzi povrchom GaN a Ir metalizáciou. Ďalší zaujímavý výsledok je možné pozorovať, keď porovnáme tepelne indukované pnutie v diamantových vrstvách na vzorkách s medzivrstvou SiON a bez nej (obr. 2b). Pnutie v tenkom diamantovom filme narastenom na vzorke s medzivrstvou SiON je vyššie o ~0,2 GPa pri 50 °C v porovnaní so vzorkou bez SiON vrstvy a Δ tohto pnutia klesá so zvyšujúcou sa teplotou.

Obr. 2 a) Pohľad zhora na SEM snímky diamantových filmov pestovaných na GaN a Ir so zameraním na rozhranie a b) ako namerané relatívne tepelne indukované napätie v diamantovom páse pestovanom na rôznych materiáloch.

 

2. Aplikovaný výskum – hybridné technológie pre diamantové detektory a senzory

 

Senzory a detektory žiarenia sú široko používané v základnej fyzike, jadrových reaktoroch, letectve, medicíne, monitorovaní životného prostredia atď. V rámci tejto aktivity sa sústredime na podrobnú analýzu pripravených hybridných detektorových štruktúr na báze mono- a poly-kryštalického diamantu. Na Obr. 1a je schematicky znázornené meracie pracovisko a fotografia jednej z pripravených vzoriek pozostávajúca z diamantovej vrstvy na kremíkovom substráte. Na diamantovom povrchu sú pripravené kruhové metalické kontakty s rôznymi priemermi. Vyrobené štruktúry sú testované pomocou alfa častíc s energiou 4,4 MeV, kde sa analyzuje výška (napätie) nameraných impulzov od jednotlivých alfa častíc a tiež sa sleduje aj pomer signál / šum (Obr. 1b). Obr. 1c znázorňuje SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) simuláciu energetických strát častíc v materiály.

Obr. 3 a) Schéma pripojenia detektora k spektrometrickej trase a rozloženie vybraných horných metalických kontaktov s rôznou veľkosťou na diamantovej vrstve narastenej na kremíku. b) Spektrum detegovaných α-častíc pomocou diamantovej vrstvy a použitím kontaktov s priemerom 3 mm. c) SRIM simulácia energetických strát α -častíc v diamantovom detektore.

 

Plynové senzory sú nevyhnutné pre priemysel, zdravotníctvo a takmer v každodennom živote, s rastúcim dôrazom na odhaľovanie nebezpečných látok a zlepšenie kvality ovzdušia. Z toho dôvodu je vývoj senzorov na báze nových materiálov s vysokou citlivosťou, stabilitou a reprodukovateľnosťou na detekciu rôznych plynov veľmi žiadaný. V rámci testovania plynových senzorov, sme pripravili rôzne senzorické štruktúry vrátane heteroštruktúry kombinujúcej polykryštalický diamant a disulfid molybdénu (Obr. 4a, b). Z nameraných výsledkov sa práve táto kombinácia materiálov javí ako veľmi perspektívna, keďže takto pripravený senzor vykazuje zvýšenú citlivosť na redukčné (NH3) a aj oxidačné (NO2) plyny. Model interakcie plynov (Obr. 4c) nezávisle zvažuje vplyv každého materiálu (chemisorpcia pre MoS2 a povrchový dopingový mechanizmus pre vodíkom terminovaný diamant), ako aj mechanizmus toku prúdu cez vytvorený p-n heteroprechod. Obr. 4d znázorňuje absolútnu a relatívnu zmenu odporu MoS2/diamantového senzora v čase v závislosti na použitých plynoch.

Obr. 4 a) Schematický pohľad v reze a b) zodpovedajúci SEM snímok vyrobenej heteroštruktúry diamant/MoS2. c) Schematické znázornenie mechanizmu snímania plynu a transportu náboja pre dve paralelne spojené vrstvy reprezentované MoS2 a diamantom. d) Časová odozva snímača MoS2/diamant na tri plyny (oxid dusičitý, amoniak a 90 % vlhkosť).

 

Vybrané publikácie:

 

Zaťko, M. Varga, G. Vanko, T. Izsak, A. Sagatova, A. Kromka, „Polycrystalline CVD diamond-based structures for detection of charge particles„, Applied Physics of Condensed Matter (APCOM2023) AIP Conf. Proc. 3054, 050013-1–050013-5; https://doi.org/10.1063/5.0187517

Kočí, M., Izsák, T., Vanko, G., Sojková, M., Hrdá, J., Szabó, O., Husák, M., Végsö, K., Varga, M., and Kromka, A.: Improved gas sensing capabilities of MoS2/diamond heterostructures at room temperature, ACS Applied Mater. Interfaces 15 (2023) 34206-34214.

Kočí, M., Szabó, O., Vanko, G., Husák, M., and Kromka, A.: Enhanced gas sensing capabilities of diamond layers using Au nanoparticles, Diamond Related Mater. 138 (2023) 110218.

Varga, M., Sojková, M., Hrdá, J., Parza Saeb, S., Vanko, G., Pribusová-Slušná, L., Ondic, L., Fait, J., Kromka, A., and Hulman, M.: Technological challenges in the fabrication of MoS2/diamond heterostructures. In NANOCON 2022. Proc. 14th Inter. Conf. Nanomater. – Res. & Appl. Ostrava. Tanger Ltd. 2023, pp 21-27. ISBN: 978-80-88365-09-9.

Izsák, T., Vanko, G., Babčenko, O., Zaťko, B., and Kromka, A.: Effects of metal layers on chemical vapor deposition of diamond films, J. Electr. Engn. 73 (2022) 350–354.

Izsák, T., Vanko, G., Babchenko, O., Vincze, A., Vojs, M., Zaťko,  B., and Kromka, A.: Influence of SiON interlayer on the diamond/GaN heterostructures studied by Raman and SIMS measurements, Mater. Sci Engn. B 273 (2021) 115434.

Babcenko, T. Izsak, M. Varga, K. Aubrechtova Dragounova, S. Potocky, S. Stehlik, G. Vanko, L. Gajdosova, S. Kasemann, J. Zehetner, A. Kromka, „Optimization of diamond growth on structured, soft and brittle substrates“, In the proceeding „13th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM 2020, October 11th-14nd 2020, Smolenice, Slovakia, pp. 46-50 (2020)

Izsák, T., Vanko, G., Držík, M., …Potocký, S., Kromka, A.: Front-side diamond deposition on the GaN membranes, ASDAM 2020 – Proceedings: 13th International Conference on Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, 2020, pp. 42–45, 9393833