Veda a výskum

  • Výroba a príprava veľmi tenkých PtSe2 vrstiev

M. Sojková, J. Hrdá, T. Vojteková, L. Pribusová Slušná, M. Hulman

Veľmi tenké vrstvy PtSe2 sú sľubnými kandidátmi na aplikácie vo vysokorýchlostnej elektronike, spintronike a pre fotodetektory. Epitaxné vrstvy PtSe2 boli pripravené na c-zafírovej podložke pomocou jednozónovej selenizácie vopred naprášených platinových vrstiev. Filmy vykazujú znaky usporiadania v rovine na veľké vzdialenosti pripomínajúce epitaxný rast. Použitie zvýšenej teploty viedlo k zvýšenej kryštalinite a lepším elektrickým vlastnostiam1. Okrem toho sme identifikovali pomer Se : Pt ako parameter riadiaci pohyblivosť nosičov náboja vo vrstvách. Pohyblivosť sa zvyšuje viac ako dvakrát, keď sa pomer mení v úzkom intervale okolo hodnoty 22. Očakáva sa, že spojenie polovodiča so supravodičom na jednej platforme poskytne zariadeniam lepší výkon. Pripravili sme tenké vrstvy PtSe2 na povrchu NbN. Zistili sme, že parametre selenizácie zachovávajú chemickú a štrukturálnu integritu filmov PtSe2 aj NbN. Orientáciu PtSe2 možno ovplyvniť zmenou rýchlosti prietoku dusíka cez reakčnú komoru3.

Obr. 1 Pomer Se: Pt vs. pohyblivosť nosičov náboja a koncentrácia nosičov PtSe2 vrstiev pripravených selenizáciou 1 nm hrubej vrstvy Pt pri 550 °C počas 30 minút s rôznymi prietokmi dusíka.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. 2. (a) XRD záznam NbN vrstvy a PtSe2 vrstiev pripravených selenizáciou 3 nm hrubej vrstvy platiny pri 550 °C na NbN podložke s použitím rôznych prietokov dusíka. (b) Schematický náčrt zobrazujúci usporiadanie vrstiev PtSe2 na NbN/zafírovom substráte.

Výstupy:

Sojková, M., Dobročka, E., Hutár, P., Tašková, V., Pribusová Slušná, L., Stoklas, R., Píš, I., Bondino, F., Munnik, F., and Hulman, M.: High carrier mobility epitaxially aligned PtSe2 films grown by one-zone selenization, Applied Surface Sci 538 (2021) 147936.

Hrdá, J., Tašková, V., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Dobročka, E., Píš, I., Bondino, F., Hulman, M., and Sojková, M.: Tuning the charge carrier mobility in few-layer PtSe2 films by Se: Pt ratio, RSC Adv. 11 (2021) 27292. (APVV 17-0352, 17-0560, 19-0365, VEGA 2/0059/21, CEMEA ITMS 313021T081)

Sojková, M., Hrdá, J., Volkov, S., Vegso, K., Shaji, A., Vojteková, T., Pribusová Slušná, L., Gál, N., Dobročka, E., Šiffalovič, P., Roch, T., Gregor, M., and Hulman, M.: Growth of PtSe2 few-layer films on NbN superconducting substrate, Applied Phys. Lett. 119 (2021) 013101. ( APVV 15-0693, 17-0352, 297, 17-0560, 19-0365, VEGA 2/0149/17, 2/0059/21, CEMEA ERDF ITMS 313021T081)

  • Analýza použiteľnosti vysokoteplotných supravodičov

F. Gömöry, T. Kujovič, M. Mošať, R. Ries, E. Seiler, M. Solovyov

V GSI Darmstadt prebiehajú práce na návrhu nového urýchľovača, v ktorom by na vinutie pulzných magnetov bol použitý kábel z pások na báze vysokoteplotného supravodiča. Takýto kábel s architektúrou typu CORT/CORC, v ktorej  pásky sledujú helikoidálnu dráhu, by mal byť schopný preniesť elektrický prúd 30 kA pri pracovnej teplote 30 K, pričom jeho vonkajší priemer by nemal prekročiť 10 mm. Kolegovia z GSI nás požiadali o vypracovanie štúdie, ktorá by analyzovala možnosti použitia takéhoto kábla aj v iných oblastiach, predovšetkým v elektroenergetike. V prvej etape sme spracovali literárnu rešerš, v ktorej sme zhrnuli doterajšie výsledky využitia vysokoteplotných supravodičov v 11 rozličných aplikáciách [1]. Analýza ukázala možné výhody použitia kábla CORT v supravodivom obmedzovači skratových prúdov: ľahké prispôsobenie prenosovej kapacity popri zachovaní rovnomerného zaťaženia jednotlivých pások. Výsledkom štúdie je identifikovanie hlavných vedeckých otázok a návrh postupu výskumu, nevyhnutne potrebného k ich zodpovedaniu a následnému overeniu myšlienky na úrovni laboratórneho modelu [2].

Výstupy:

F. Gömöry, T. Kujovič, M. Mošať, R. Ries, E. Seiler: HTS Applications Study: Literature Study, Bratislava, September 2021

F. Gömöry, T. Kujovič, M. Mošať, R. Ries, E. Seiler, M. Solovyov: HTS Applications Study: Superconducting Fault Current Limiter from CORT, Bratislava, December 2021

  • Magnetické skyrmióny v nanodiskoch

M. Mruczkiewicz, I.V. Vetrova, J. Šoltýs, T. Šcepka, J. Dérer, R. Stoklas, V. Cambel

Magnetické skyrmióny sú topologicky chránené spinové textúry, ktoré aktuálne priťahujú značnú pozornosť tak v základnej ako aj v aplikovanej fyzike. Skyrmióny sme pozorovali v nanodiskoch vyrobených pomocou elektrónovej litografie a leptania. Nanodisky boli zložené z veľmi tenkej multivrstvy Pt/Co/Au, ktorá vykazujú medzifázovú Dzyaloshinskii-Moriya interakciu a kolmú magnetickú anizotropiu [1, 2]. V takýchto submikrometrových diskoch s priemerom 150–525 nm sme skúmali stabilizáciu rôznych magnetických stavov, ako sú stavy s jednou doménou, skyrmiónový stav a tiež doménové štruktúry pripomínajúce tvar podkovy a červíkov. Ukázali sme, že šesť opakovaní multivrstvy Pt/Co/Au postačuje na stabilizáciu stavu skyrmiónu vo vnútri nanodisku pri izbovej teplote. Proces vytvorenia skyrmiónu v nanodiskoch demonštrujeme mikromagnetickými simuláciami [3]. Zistili sme, že pole generované magnetickým hrotom výrazne ovplyvňuje stav magnetizácie nanodiskov a vedie k tvorbe skyrmiónov. Simulácia vysvetľuje vývoj magnetického stavu v disku počas jeho skenovania magnetickým silovým mikroskopom a potvrdzuje možnosť vzniku skyrmiónu. Kľúčovým prechodom v tomto procese je vytvorenie medzistavu magnetickej domény v tvare podkovy.

Obr. Schematické znázornenie viacvrstvového nanodisku pozostávajúceho z ultratenkých Co vrstvách umiestnených medzi dvoma rôznymi ťažkými kovmi: Au, Pt (vľavo). Pole viacvrstvových diskov sa skenuje MFM hrotom (v strede) a ich magnetický stav sa počas skenovania mení (vpravo).

Výstupy:

Vetrova, Iu.V., Zelent, M., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Investigation of self-nucleated skyrmion states in the ferromagnetic/nonmagnetic multilayer dot, Applied Phys. Lett. 118 (2021) 212409. (ITMS 313021T081,  APVV-16-0068, 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0160/19)

Zelent, M., Vetrova, Iu.V., Li, X., Zhou, Y., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Skyrmion formation in nanodisks using magnetic force microscopy tip, Nanomater. 11 (2021) 2627. (ERDF 313021T081, APVV 19-0311(RSWFA)), ERA.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0160/19)

Vetrova, Iu.V., Šoltýs, J., Zelent, M., Sadovnikov, A.V., Gubanov, V.A., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Investigation of the self-nucleated skyrmion states inside the ferromagnetic/non-magnetic multilayer dot. In: Sol-SkyMag 2021, virtual.

  • Kontrolovaný transport skyrmiónov v magnetických antidot mriežkach

Feilhauer, S. Saha, J. Tóbik, M. Zelent, L. J. Heyderman, and M. Mruczkiewicz

Magnetické skyrmióny sú robustné defekty v magnetizácii tenkých feromagnetických vrstiev, v rámci ktorých sa dajú presúvať aplikovaním spinovo polarizovaného elektrického prúdu. Vďaka relatívne nízkej energetickej náročnosti na ich manipuláciu, skyrmióny sú nádejnými kandidátmi na informačné nosiče v efektívnych počítačových pamätiach a logických hradlách budúcnosti. Spintronické zariadenia založené na skyrmiónoch však budú vyžadovať presnú kontrolu transportu skyrmiónov. V našej práci ukazujeme, že tento cieľ je možné dosiahnuť použitím magnetickej antidot mriežky, t.j. štvorcovej mriežky kruhových otvorov vytvorenej vo feromagnetickej vrstve (Obr.1). Pohyb skyrmiónov v antidot mriežkach skúmame využitím mikromagnetických simulácií a semi-analytických výpočtov na základe Thieleho rovnice, kde sú skyrmióny poháňané aplikovaním elektrického prúdu. Ukazujeme, že skyrmióny v antidot mriežke môžu byť manipulované rôznymi smermi v závislosti od parametrov aplikovaného prúdového impulzu. Napriek tomu, že smer elektrického prúdu je fixovaný, je možné vďaka netriviálnej súhre medzi odpudivým potenciálom antidot mriežky, skyrmiónovým Hallovým javom a nerovnomerným rozdelením prúdu dosiahnuť úplnú kontrolu pohybu skyrmionu v antidot mriežke. Ďalej demonštrujeme, že smer pohybu skyrmiónov je možné ovládať zmenou iba jedného parametra prúdového pulzu, konkrétne jeho veľkosti (Obr.2).

 

Obr.1: Mriežka antidotov v heteroštruktúre zloženej z vrstiev feromagnetu (CoFeB) a ťažkého kovu (HM). Farebne je vyznačený príklad trajektórie skyrmiónu pod vplyvom prúdového pulzu

 

Obr.2: Trajektórie skyrmiónov v antidot mriežke pre rôzne veľkosti aplikovaného prúdového pulzu

Výstupy:

Feilhauer, J., Saha, S., Tóbik, J., Zelent, M., Heyderman, L.J., and Mruczkiewicz, M.: Controlled motion of skyrmions in a magnetic antidot lattice, Phys. Rev. B 102 (2020) 184425. (ERDF ITMS 313021T081, APVV-16-0068, 19-0311, Era.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0162/18, 2/0150/18, UF, NSC, Poland UMO-2017/27/N/ST3/00419, No. UMO2018/30/Q/ST3/00416 and Nat. Scholarship Programme SR)

 

  • Zhodnotenie možnosti použitia supravodivých pások v urýchľovači

Gömöry, T. Kujovič, M. Mošať, E. Seiler, M. Solovyov, J. Šouc

Na požiadanie kolegov z urýchľovača Gesellschft fur Schwerionen Forschung (GSI) lokalizovaného v Darmstadte (Nemecko) sme vykonali prieskum možnosti použitia vodičov na báze vysokoteplotných supravodičov (VTS), vyrábaných vo forme Coated Conductor (CC) pások, pre zhotovenie vinutia cievok vytvárajúcich magnetické pole v sekundových pulzoch. Na rozdiel od v súčasnosti použitých nizkoteplotných NbTi supravodičov, VTS vodiče znášajú podstatne vyššie magnetické polia a ich použitie v budúcich urýchľovačoch by mohlo viesť k významnému zvýšeniu urýchľovacieho výkonu. Využili sme naše predošlé práce vedúce k odvodeniu praktických vzťahov pre charakterizáciu prenosovej schopnosti CC pások pripravených rôznymi postupmi ako i poznatky z modelovania poškodenia hroziaceho pri spletaní pások a navíjaní cievky aby sme zhodnotili použiteľnosť kábla s architektúrou Conductor-On-Round-Tube (CORT). Výpočty metódou konečných prvkov v prostredí Comsol Multiphysics ukázali, že zatiaľ žiadna z komerčne dostupných pások nespĺňa požiadavky, ktoré v GSI nastavili v predbežnom návrhu cievky.

 

Prierez kábla s architektúrou CORT, použitý vo výpočtoch magnetických polí. VTS pásky sú helikálne navinuté vo viacerých vrstvách na trubku, ktorá slúži ako kanál na prietok chladiva

 

Maximálny prúd, Ic, ktorý sú schopné v rôznych magnetických poliach, B, prenášať káble z komerčne dostupných pások (SuperOx, SuNAM, SuperPower -dve pásky) a z hypotetickej pásky SuperOx (V2) s radikálne vylepšenými vlastnosťami. Požiadavka z predbežného návrhu cievky je vyznačená bodkočiarkovanou čiarou.

Výstupy:

Kujovič, T. and Gömöry, F.: Impact of local geometrical irregularities on critical currents of REBCO tapes in round cables, Supercond. Sci Technol. 33 (2020) 115008. (APVV 16-0418)

 

  • Kontrolovaný rast veľmi tenkých vrstiev MoS2

Veľmi tenké vrstvy MoS2 sú sľubnými kandidátmi na aplikácie v mnohých oblastiach, ako sú napríklad fotovoltaika, fotokatalýza, nanotriboológia, lítiové batérie, hydrogenačná odsírovacia katalýza a suché lubrikanty, najmä vďaka svojim charakteristickým elektronickým, optickým a katalytickým vlastnostiam. Všeobecne sú možné dve možnosti orientácie vrstiev MoS2 – horizontálna (s osou c kolmou na rovinu podložky) a vertikálna (kde je c os rovnobežná s podložkou), ktoré majú rôzne fyzikálno-chemické vlastnosti. Pri príprave týchto materiálov pomocou sulfurizácie molybdénových vrstiev sa počiatočná hrúbka molybdénu ukázala byť kritickým parameterom ovplyvňujúcim konečnú orientáciu vrstiev MoS2. Na rozdiel od štandardných komôr CVD, kde reakcia prebieha v dvojzónovej peci, my používame jednozónová pec, kde máme podložku a síru spolu pri vysokej teplote v strede pece. Cieľom práce bolo štúdium vplyvu ďalších parametrov žíhania na orientáciu vrstiev. Ukázalo sa, že rýchlosť zahrievania je rozhodujúcim parametrom pre rastový mechanizmus, kde rýchla sulfurizácia vedie k rastu vertikálnych vrstiev MoS2 a pomalé odparovanie síry vedie k horizontálnemu rastu dokonca aj pre hrubšie počiatočné vrstvy molybdénu.

 

  

GIWAXS recipročné priestorové mapy MoS2 vrstiev pripravených na zafírovej podložke pripravené z 3 nm hrubých vrstiev Mo pri 800 °C počas 30 minút s rýchlosťou zahrievania (a) 25 °C / min, (b) 5 °C / min a (c) 0,5 °C / min. Píky pri -1 A-1 pochádzajú z (002) difrakčných rovín.

Použitá metóda jednozónej sulfurizácie navyše umožnila rast MoS2 na povrchu CVD diamantových vrstiev. Výsledkom tohto nášho experimentálneho návrhu je prostredie bohaté na síru počas procesu a difúzia síry do molybdénu pri teplotách nižších, ako sú teploty potrebné na tvorbu karbidu molybdénu bráni jeho tvorbe na rozhraní Mo-diamant. Toto zistenie môže otvoriť cestu pre rast MoS2 vrstiev na substrátoch, ktoré sú inak citlivé na chemickú reakciu s molybdénom. Takisto sme ukázali, že je možný horizontálny a vertikálny rast vrstiev MoS2, v závislosti od hrúbky Mo vrstvy tak ako v prípade neštrukturovaných podložiek. Kombinácia jedinečných diamantových vlastností a ultra tenkých vrstiev MoS2 s laditeľná kryštalografickou orientáciou môže ponúkať materiálové vlastnosti relevantné pre široké spektrum aplikácií.

 

 

 

SEM obrázky vrstiev MoS2 pripravených z (a) 1 nm, (b) 3 nm a (c, d) 6 nm Mo vrstiev na mikrokryštalickom CVD diamantovom substráte. V (d) sú stojace vločky MoS2 viditeľné na okraji kryštálu diamantu.

Výstupy:

Sojková, M., Végso, K., Mrkývkova, N., Hagara, J., Hutár, P., Rosová, A., Čaplovičová, M., Ludacka, U., Skákalová, V., Majková, E., Šiffalovič, P., and Hulman, M.: Tuning the orientation of few-layer MoS2 films using one-zone sulfurization, RSC Adv. 9 (2019) 29645-29651. IF 3.049, Q SJR 1

Sojková, M., Šiffalovič, P., Babchenko, O., Vanko, G., Dobročka, E., Hagara, J., Mrkývková, N., Majková, E., Ižák, T., Kromka, A., and Hulman, M.: Carbide-free one-zone sulfurization method grows thin MoS2 layers on polycrystalline CVD diamond, Sci Rep. 9 (2019) 2001. IF 4.011, Q SJR 1

 

  • Výroba a dodávka 4H-SiC senzorov žiarenia vyvinutých pre potreby laboratória na výskumné účely

Zaťko, F. Dubecký, P. Boháček, M. Sekáčová, J. Arbet

Vyvinuli sme špeciálny veľkoplošný detektor jadrových častíc a fotónov na báze čistého epitaxného materíálu 4H-SiC. Originálna úprava riešenia predstavuje náhradu jedného veľkoplošného detektora o ploche ca 40 mm2 štvoricou menších detektorov po ca 10 mm2. Špeciálny držiak umožňuje zapojenie jedného resp. až všetkých štyroch detektorov na vstup vyčítavacieho obvodu elektroniky. Toto riešenie predstavuje vyššiu výťažnosť výroby a aj adekvátne zníženie šumu pri zapojení každého detektora do vlastného vstupného obvodu predzosilňovača.

Fotografia 4H-SiC senzorov žiarenia nalepených a nakontaktovaných na špeciálne držiaky

 

  • Vývin metastabilných defektov a ich dopad na elektronické vlastnosti MoS2

V práci bol študovaný vplyv defektov na štrukturálne a elektronické vlastnosti jednej a viac MoS2 vrstiev. Formovanie a vývoj defektov bol sledovaný v ultra-vysokom vákuu žíhaním materiálu a elektrónovým ožarovaním . V prvom prípade bolo pozorované tvarovanie nestabilných domén s rozdielnou hodnotou výstupnej práce, čo bolo spôsobené  vývojom kryštalických defektov formovaných počas žíhania. Experimenty ukázali vytvorenie sírových vakancií a ich následnú difúziu, zlučovanie a migráciu, čo malo za následok prechod MoS2 z nestabilného stavu do rovnovážneho základného stavu. Tento proces môže byť aktivovaný tepelne alebo elektrónovým ožarovaním s minimálnou energiou 0,6 eV, ktorá je potrebná pre migráciu sírových vakancií. V blízkosti hraníc zŕn a okrajov MoS2 vrstiev sme pozorovali ovplyvňovanie výstupnej práce a lokálnej hustoty obsadených stavov aj pri rovnovážnych podmienkach. Výsledky práce ukázali odhadovaný teplotný rozsah pre výrobu elektronických súčiastok na báze MoS2, kde bude hrať dôležitú úlohu pasivácia vrstvy a kontrola defektov.

Výstupy:
Precner, M., Polakovič, T., Qiao, Q., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Zhu, Y., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Evolution of metastable defects and its effect on the electronic properties of MoS2 films, Sci Rep. 8 (2018) 6724.

Precner, M., Polakovič, T., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Metastable defects in monolayer and few-layer films of MoS2, AIP Conf. Proc. 2005 (2018) 020004.

 

  • Supravodivý drôt s MgB2 jadrom a Al obalom a spôsob jeho výroby

Extra-ľahký supravodivý drôt MgB2 s Ti bariérou and špeciálnym vonkajším Al+Al2O3 kompozitným obalom sa dá vyrobiť pomocou procesu vnútornej difúzie Mg do bóru. Špeciálne žíhacie podmienky pri 628-635 oC počas 10-30 min umožňujú tvorbu to MgB2 jadra s vysokou prúdovou hustotou spolu s vysoko pevným Al+Al2O3 obalom a Ti difúznou bariérou s obmedzenou interakciou na rozhraní s obalom. MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôt má vysoké  prúdové hustoty a tiež dobrú odolnosť voči ťahovému napätiu pri nízkych teplotách. Vinutia urobené s MgB2/Ti/Al+Al2O3 sú prinajmenej 2.5 krát ľahšie v porovnaní s vinutím z typického MgB2/Nb/Cu drôtu toho istého prierezu. Hmotnosť MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtu je najľahšia možná a je viac ako rádovo nižšia v porovnaní  so všetkými nízko-teplotnými aj vysoko-teplotnými  supravodičmi. Týmto spĺňa požiadavky elektrických a mechanických vlastností supravodiča pre  výkonné a ľahké supravodivé systémy, napr. výkonné veterné turbíny, letecké motory a systémy v kozmonautike.

Výstupy:

Prihláška patentu: Balog, M., Krížik, P., Kováč, P., Hušek, I., Kopera, Ľ., and Rosová, A.: Development of MgB2 wire with an aluminium stabilizer. PCT/IB2018/ISA/220

Relevantné publikácie v r. 2018:

Kováč, P., Hušek, I., Kulich, M., Kováč, J., Melišek, T., Kopera, L., Perez, N., Haessler, W., Balog, M., Krížik, P., and Berek, D.: Lightweight MgB2 wires with a high temperature aluminum sheath made of variable purity Al powder and Al2O3 content, Supercond. Sci Technol. 31 (2018) 085003.

Kováč, P., Hušek, I., Rosová, A., Kulich, M., Kováč, J., Melišek, T., Kopera, L., Balog, M., and Krížik, P.: Ultra-lightweight superconducting wire based on Mg, B, Ti and Al, Sci Reports 8 (2018) 11229.

 

  • Štúdium povrchových nábojov III-N heteroštruktúr pre realizáciu spínacích GaN tranzistorov

Posledné dve dekády III-N tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) získali veľkú pozornosť z dôvodu vynikajúcich predpokladov pre vysoko frekvenčné a výkonové aplikácie. Toto je vďaka špecifickej vlastnosti polarizačnej dotácie, keď vysoká koncentrácia elektrónov v dvoj-rozmernom plyne kvantovej jamy sa vytvorí na rozhraní III-N bariéra/kanál kompenzovaním prítomného polarizačného náboja PQW. Tento mechanizmus je úplne odlišný od konvenčnej modulačnej dotácie napr. v GaAs HEMT tranzistoroch, kde  dvoj-rozmerný plyn je tvorený nespojitosťou pásov na rozhraní kanál/bariéra a prímesovou dotáciou. Pre polarizačne dotované III-N MOS HEMT-y navrhujeme že i) ionizované povrchové donory sa správajú ako fixný náboj ktorý rôzny od záchytných centier, ii) kolektorový prúd otvoreného kanála je nezávislý od koncentrácie povrchových donorov Nd,surf , iii) ak Nd,surf > PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových donorov, iv) ak Nd,surf < PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových stavov v kombinácií s priamou injekciou z emitora.

Výstupy:

Gucmann, F., Ťapajna, M., Pohorelec, O., Haščík, Š., Hušeková, K., and Kuzmík, J.: Creation of two-dinesional electron gas and role of surface donors in III-N metal-oxide-semiconductor high-electron mobility transistors, Phys. Status Solidi A  215 (2018) 1800090.

Ťapajna, M., Drobny, J., Gucmann, F., Hušeková, K., Hashizume, T., and Kuzmík, J.: Impact of oxide/barrier fixed charge on threshold voltage instabilities in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures. In: Inter. Workshop on Nitride Semicond. (IWN 2018) Kanazawa 2018.

 

  • Výpočet povrchov voľnej energie magnetických systémov pomocou metadynamiky

Znalosť výšky energetických bariér, ktoré oddeľujú rôzne stavy v systéme, je kritická na určenie dlhodobej stability informácie uloženej v magnetických pamätiach. Túto informáciu je však ťažké získať priamo pomocou simulácií štandardných mikroskopických modelov vzhľadom na problém škálovania času, ktorý vyplýva z faktu, že prechod medzi dvoma minimami má charakter náhodného procesu. V našej práci ukazujeme, že využitím algoritmu metadynamiky s využitím vhodne zvolených kolektívnych premenných, menovite helicity a cirkulácie, je možné skonštruovať profil voľnej energie. Ukazujeme efektívnosť nového prístupu na príklade vzniku magnetického víru v nanobodke so zníženou symetriou. Pomocou rekonštrukcie povrchu voľnej energie  poukazujeme na pôvod zlomu symetrie počas vzniku víru, keď je jedna polarita víru preferovaná napriek tomu, že vonkajšie magnetické pole je aplikované v rovine bodky.

Tóbik, J., Martoňák, R., Cambel, V., : Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. Phys. Rev. B 96 (2017) 140413(R). (APVV 0088-12, VEGA 2/0180/14, VEGA 2/0200/14).

  • Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom a spôsob jeho prípravy

Zabezpečenie ekologického rozvoja spoločnosti je úzko späté s vytváraním nových možností na efektívne využívanie dostupných zdrojov energie. Jednou z možností je minimalizovať straty v elektrických prevodníkoch výkonu. Pri potrebe maximalizovať výkon a minimalizovať straty pri takomto prevode, použitie výkonových tranzistorov na báze GaN polovodičov je mimoriadne vhodné riešenie.

GaN je chemicky stály polovodičový materiál s energetickou medzerovou 3,4 eV, čo ho predurčuje pre aplikácie v nehostinom prostredí a zvýšené teploty prevyšujúce 300 °C. Okrem toho, vysoká driftová rýchlosť elektrónov v GaN okolo 1 x 105 m/s umožňuje spínanie tranzistorov pri vysokej frekvencií. Spomenuté materiálové parametre sú mimoriadne vhodné na konštrukciu výkonových vysokofrekvenčných tranzistorov a prevodníkov s vysokou účinnosťou.

Podstatou vynálezu je vertikálny GaN tranzistor, ktorý pozostáva z elektródy emitora umiestnenej na vrchnej kontaktovej n+ GaN vrstve, elektródy kolektora privedenej odspodu na GaN substráte a hradla. Elektróda hradla je vytvorená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy a je oddelená od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzere ako je v GaN. Izolačný charakter kanálovej GaN vrstvy zaručuje obohacovací mód tranzistora a tak isto umožňuje masívnu konštrukciu tranzistora, bez nutnosti nano-tvarovania, paralernej kombinácie viacerých kanálov a mostíkového prepojenia elektród emitora.

Výkonové obohacovacie tranzistory s izolačnou GaN kanálovou vrstvou nájdu uplatnenie vo vysoko účinných prevodníkoch elektrického výkonu. Uplatnenie nájdu v generácií a rozvode elektrickej energie, ale aj v napájacích a pohonných jednotkách elektromobilov.

Výstupy: Prihláška patentu č. PP50074-2017

  • Štúdium povrchových nábojov III-N heteroštruktúr pre realizáciu spínacích GaN tranzistorov

Heteroštruktúrne tranzistory na báze nitridu gália (GaN) predstavujú novú generáciu elektronických súčiastok pre výkonové a telekomunikačné aplikácie. Napriek postupnej industrializácii elektroniky na báze GaN však chýba základné porozumenie rozloženia náboja na rozhraní oxid/polovodič hradlovej štruktúry MOS, ktoré má priamy vplyv na nastavenie prahového napätia výslednej súčiastky. Stále nezodpovedanou otázkou zostáva pôvod povrchového náboja GaN polovodiča. V súbore prác sme realizovali niekoľko technologických prístupov na manipuláciu hustoty povrchových nábojov v GaN MOS tranzistoroch s oxidovou vrstvou pripravenou rôznymi technológiami. Pri výskume sme najskôr vyhodnotili všetky relevantné náboje na rozhraní oxid/polovodič. Tie sme následne korelovali s mikroštruktúrnymi a chemickými vlastnosťami rozhrania. Výsledky ukazujú možnosti manipulácie veľkosti povrchových nábojov a naznačujú pôvod ich vzniku. Tieto poznatky sú nevyhnutné pre vývoj technológie budúcej generácie rýchlych výkonových GaN tranzistorov.

Výsledok vznikol v rámci medzinárodného projektu „Vysoko-bezpečný GaN MOS spínací tranzistor (SAFEMOST)“ financovaný spoločným výskumným programom pre pokročilé materiály V4 – Japonsko

Zahraniční partneri: Maďarská akadémia vied (Maďarsko), Ferdinand-Braun-Institute Berlín (Nemecko)

HRTEM zobrazenie prierezu štruktúry Al2O3/AlGaN/GaN

Ťapajna, M., Stoklas, R., Gregušová, D., Gucmann, F., Hušeková, K., Haščík, Š., Fröhlich, K., Tóth, L., Pecz, B., Brunner, F., Kuzmík, J., : Investigation of ‘surface donors’ in Al2O3/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures: Correlation of electrical, structural, and chemical properties. Applied Surface Sci 426 (2017) 656-661. (CENTE II, APVV 15-0031, VEGA 2/0138/14).

Ťapajna, M., Válik, L., Gucmann, F., Gregušová, D., Fröhlich, K., Haščík, Š., Dobročka, E., Tóth, L., Pecz, B., Kuzmík, J., : Low-temperature atomic layer deposition-grown Al2O3 gate dielectric for GaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs: Impact of deposition conditions on interface state density. J. Vacuum Sci Technol. B 35 (2017) 01A107. (SAFEMOST, VEGA 2/0138/14, CENTE).

  • Thermo-mechanical analysis of uncooled La0.67Sr0.33MnO3 microbolometer made on circular SOI membrane

V našich experimentoch sme vykonali tepelné a mechanické analýzy nechladených mikrobolometrov s viazanými log-periodickými anténami vyrobených na kruhových membránach typu SOI (kremík na oxide kremičitom) na báze tenkých vrstiev La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO). Využívali sme pri tom kruhové membrány s maximálnymi priemermi 2 500 µm. Bola predstavená jednoduchá metóda vyšetrovania účinnosti tepelnej konverzie (prakticky určovanie hodnoty tepelného odporu Rth). Tepelné analýzy boli zároveň podporené aj modelovaním a simuláciou v programovom prostredí Ansys. Zistili sme, že hodnoty tepelného odporu Rth a tepelnej časovej konštanty τ navrhnutého bolometrického prvku je možné meniť a tiež tým pádom nastaviť pomocou zmeny hrúbky SOI membrány. Hodnoty Rth = 188 K/mW aτ = 0.88 ms boli určené z tepelných simulácií pre SOI membrány s celkovou hrúbkou 300 nm (pričom SiO2 = 200 nm a Si = 100 nm). Vyhodnocovali a študovali sme pôvod a postupné zmeny indukovaného mechanického napätia v tenkých epitaxných vrstvách po jednotlivých procesných krokoch za účelom vysvetlenia a stanovenia mechanickej stability MEMS mikrobolometra na báze tenkej vrstvy LSMO.

Lalinský, T., Dzuba, J., Vanko, G., Kutiš, V., Paulech, J., Gálik, G., Držík, M., Chromik, Š., and Lobotka, P.:Thermo-mechanical analysis of uncooled La0.67Sr0.33MnO3 microbolometer made on circular SOI membrane. Sensors Actuators A 265 (2017) 321–328. (APVV 14-0613, APVV 0450-10, APVV 0455-12, CENTE II).

  • Supravodivé káble pre veľké magnetické systémy

Pripravili a otestovali sme niekoľko supravodivých káblov typu CORC (Conductor On Round Core). Jednou z výhod tohto typu kábla je, že medená rúrka tvoriaca mechanickú oporu supravodivých pások môže byť súčasne využitá pre tok chladiaceho média. Z takého typu kábla sme vyrobili cievku, kde sme zároveň otestovali kryogénnu tepelnú izoláciu tvorenú izolačnou hmotou aerogel a polyuretánovou penou namiesto štandardnej vákuovej izolácie.
Pre interpretáciu experimentálnych výsledkov sme použili numerické výpočty, ktoré po zohľadnení vplyvu magnetického poľa, ale aj fluktuácie kritického prúdu po dĺžke vodiča, dokážu pomerne presne predpovedať vlastnosti cievok vyrobených z káblov.
Podrobne sme skúmali aj vlastnosti takéhoto kábla pre aplikácie so striedavým prúdom. Experimenty podporené numerickými výpočtami ukázali, že v centrálnej medenej trubke vznikajú straty porovnateľné so magnetizačnými stratami supravodiča.

Gömöry, F., Šouc, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., Frolek, L., : Design and testing of coils wound using the Conductor-On-Round-Tube (CORT) cable. IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4600305. (APVV 14-0438), VEGA 2/0126/15).

Šouc, J., Gömöry, F., Vojenčiak, M., Seiler, E., Kováč, J., Frolek, L., : Superconducting HTS coil made from round cable cooled by liquid nitrogen flow. Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 105014. (APVV 14-0438).

Sheng, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., Frolek, L., Gömöry, F., : Numerical study on magnetization characteristics of superconducting conductor on round core cables. IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4800305.

Terzioglu, R., Vojenčiak, M., Sheng, J., Gömöry, F., Çavuş, T., Belenli, I., : AC loss characteristics of CORC® cable with a Cu former. Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 085012.

  • Stabilita skyrmiónov v nanobodkách

V spolupráci s Adam Mickiewicz Univeristy v Poznani, Poľsko, a University of the Basque Country, Španielsko, sme študovali stabilitu skyrmiónov v nanobodkách. Magnetické skyrmióny sú stabilné kruhovo symetrické konfigurácie nehomogénnej magnetizácie. Tieto topologicky chránené stavy nanometrových rozmerov majú potenciál na nové riešenia pre spracovanie dát a dátové úložiská s nízkou spotrebou energie. Typicky sa riešia pomocou ultratenkej vrstvy feromagnetického materiálu a vrstvy ťažkého kovu s rôznym počtom opakovaní kvôli stabilizácií skyrmiónu. My sme v našej práci študovali vplyv obmedzenia (confinement), dipólovej interakcie  (Zelent 2017) a piningu (Zeissler 2017) na stabilitu skyrmiónu. Ukazujeme, že v dôsledku laterálneho obmedzenia a silnej magnetostatickej interakcie, generovanej mnohonásobným opakovaním vrstiev, skyrmióny dvoch rôznych veľkostí môžu byť stabilizované v tej istej nanobodke v závislosti na histórii naloženého magnetického poľa (Zelent 2017). Navrhli sme aj nanobodku s bistabilným skyrmiónovým stavom pri nulovom vonkajšom poli s pozorovateľným prepínaním medzi týmito dvoma stavmi. Bistabilita v nanobodke bola nájdená aj experimentálne a naše výpočty zahrnuli neusporiadanosť systému na vysvetlenie hysterézie v rozmere skyrmiónu (Zeissler). Náš prístup môže otvoriť novú cestu k vývoju efektívnej skyrmiónovej pamäte, v ktorej bude informácia kódovaná rozmerom skyrmiónu v rovnovážnom stave.

Zelent, M., Tóbik, J., Krawczyk, M., Guslienko, K., Mruczkiewicz, M., : Bi‐stability of magnetic skyrmions in ultrathin multilayer nanodots induced by magnetostatic interaction. Physica Status Solidi RRL 11 (2017) 1700259. (SASPRO 1244/02/01).

Zeissler, K., Mruczkiewicz, M., Finizio, S., Raabe, J., Shepley, P., Sadovnikov, A., Nikitov, S., Fallon, K., McFadzean, S., McVitie, S., Moore, T., Burnell, G., Marrows, C., : Pinning and hysteresis in the field dependent diameter evolution of skyrmions in Pt/Co/Ir superlattice stacks. Sci Rep. 7 (2017) 15125.(SASPRO 1244/02/01).