Nanolektromehānisku slēdžu izveide

Projekta nosaukums: Nanolektromehānisku slēdžu izveide
Projekta līguma numurs: 1.1.1.1/16/A/256
Projekta īstenošanas termiņš: 01.03.2017.- 29.02.2020.
Projekta kopējais finansējums: EUR 647 697.10
Projekta zinātniskais vadītājs: vadošais pētnieks, Dr.chem. Asoc.prof. Donāts Erts
Projekta administratīvais vadītājs: Signe Laimiņa-Koka
Projekta mērķis: Balstoties uz esošajām iestrādnēm, paātrināt pētījumu procesu un sekmēt nanoelektromehānisko sistēmu pāreju no akadēmiskā līmeņa uz prototipu izveidi, veikt nanostruktūru sintēzi un izpētīt to īpašības un, izstrādājot risinājumus slēdža dizaina un funkcionalitātes uzlabošanai, izveidot inovatīvus, unikālus, praktiski pielietojamus NEM slēdžu prototipus, sasniedzot tehnoloģiju gatavības līmeni TRL-4.

Projekta galvenie rezultāti u.c. informācija par projekta īstenošanu:

5 jauni tehnoloģiju prototipi, 2 produktu prototipi, 1 licences līgums, 6 oriģināli zinātniskie raksti, kas tiks iesniegti publicēšanai žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa, Web of Science vai SCOPUS (A vai B) datubāzēs iekļautos žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, 10 prezentācijas starptautiskās konferencēs, 6 prezentācijas vietēja mēroga konferencēs.

01.03.2017.-31.08.2017.

Projekts paredz gan fundamentālos pētījumus par nanoelektromehāniska (NEM) slēdžu komponenšu sintēzi, raksturošanu un savstarpējo mijiedarbību, gan rūpnieciskos pētījumus ar mērķi veidot reālu ierīču prototipus un attīstīt NEM slēdžu ražošanas tehnoloģijas.

Uzsakot fundamentālo pētījumu, tiek veikta skaitliska modeļa izveide. Ar šo modeli būs iespējams aprēķināt nanoelektromehāniskā slēdža komponenšu – nanovadu atrašanās vietu laikā arī pie mainīga elektriskā lauka. Teorētiski aprēķini attiecīgi tiek validēti ar eksperimentāliem mērījumiem. Ir izveidota eksperimentālā sistēma un sagatavoti paraugi mijiedarbības pārbaudei ar in-situ eksperimentālajām metodēm. Tiek veikta vairāku pusvadītājmateriālu (Ge, GeSn, Bi₂Se₃) nanovadu paraugu elektriskā un mehāniskā raksturošana ar mērķi tos integrēt NEM ierīcēs. Ir arī izvēlēta NEM slēdža konfigurācija, kurai sākt veidot elektrodus.

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros, ir veikta Bi2Se3 nanovadu sinteēze uz zelta elektroda, to ērtai testēšanai ar in-situ metodēm skenējošajā elektronu mikroskopā. Ar litogrāfijas metodēm veido metāla elektrodu arhitektūras uz čipa, saskaņā ar fundamentālajā pētījumā iegūtajiem rezultātiem.

01.09.2017.-30.11.2017.

Fundamentālā pētījuma ietvaros ir teorētiski aprēķināts, kā vairākas reizes varētu samazināt slēdža ieslēgšanas spriegumu. Teorētiskie aprēķini tiek eksperimentāli pārbaudīti in-situ skenējošajā elektronu mikroskopā.
Rūpnieciskā pētījuma ietvaros  ir veikta Bi2Se3 nanovadu sintēze uz stikla ar un bez zelta katalizatora, lai izpētītu tā ietekmi uz sintēzes rezultātiem. Tiek veikta sintezēto nanostruktūru sakārtošana uz individuāliem elektrodiem ar dielektroforēzes metodi.

01.12.2017.-28.02.2018.

Fundamentālā pētījuma ietvaros tika pārbaudīta abos galos nostiprināta nanovada ieslēgšana kontaktā ar laikā mainīgu elektrisku lauku, kas nanovadā ierosina mehāniskas svārstības.
Rūpnieciskā pētījuma laikā tika veikta GeSn nanovadu mehāniskā raksturošana, lai pārbaudītu to pielietojamību NEMS slēdžos. Ar dielektrofēzes metodi veikta oglekļa nanocaurulīšu sakārtošana uz elektrodiem. Lai nodrošinātu nanostruktūru pareizu novietojumu uz elektrodiem pēc dielektroforēzes tika pārbaudīta superkritiskās žāvēšanas metode.

01.03.2018.-31.05.2018.

Fundamentālā pētījuma ietvaros tika turpināta skaitliskā modelēšana nanovada ielekšanas sprieguma samazināšanai, kā arī tika sagatavots zinātniskā raksta melnraksts par šo pētījumu.
Rūpnieciskā pētījuma laikā tika turpināta GeSn nanovadu mehāniskā raksturošana, lai pārbaudītu to pielietojamību NEMS slēdžos, kā arī tika sākta to elektrisko īpašību raksturošana. Tika veikta CuO nanovadu sintēze, to pielietošanai NEM slēdzī, kurš paredzēts strāvas ierobežošanai.

01.06.2018.-31.08.2018.

Fundamentālā pētījuma ietvaros tika pilnveidoti modeļi par nanovada ieslēgšanās sprieguma samazināšanu. Veikti jauni mērījumi ar dažādiem sākotnējiem nanostruktūras leņķiem pret pamatni teorētiskā modeļa pārbaudei.
Rūpnieciskā pētījuma ietvaros tika sagatavots raksta melnraksts par GeSn nanovadu fizikālajām īpašībām, kā arī veikta CuO nanovadu sintēze un sākts darbs pie CuO nanovadu sakārtošanas uz elektrodiem ar dielektroforēzes metodi." Projekta rezultāti prezentēti ar 2 mutiskiem un 3 stenda referātiem starptautiskās konferencēs.

01.09.2018.-30.11.2018.

Fundamentālā pētījuma ietvaros ir iesniegts publicēšanai zinātniskais raksts par nanovada ieslēgšanās sprieguma samazināšanu: R.Meija et.al. "Resonance assisted jump-in voltage reduction for electrostatically actuated nanobeam-based gateless NEM switches".

Veikti teorētiski aprēķini van-der Vaalsa spēka novērtēšanai slēdzī, kad nanovads atrodas tuvu kontakta elektrodam.

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros ir iesniegts publicēšanai raksts par GeSn nanovadu fizikālajām īpašībām: J.Kosmaca et.al. "Mechanical resonance, Young’s moduli, bending strength and electrical resistivity of GeSn alloy nanowires".

Ir iesniegts publicēšanai raksts par Bi₂Se₃ nanovadu audzēšanu uz AAO substrāta: D.Erts et.al. "High yield growth of topological insulator Bi₂Se₃ nanobelts on ultrathin AAO surfaces by catalyst free physical vapour deposition".

Ir sagatavots tehnoloģijas prototips par Bi₂Se₃ nanovadu audzēšanu uz AAO substrāta.

Publicēts 23.11.2018.

01.12.2018. – 28.02.2019.

Fundamentālā pētījuma ietvaros ir izstrādāts modelis, ar kuru var aprēķināt nanovada ielekšanai kontaktā nepieciešamo spriegumu atkarībā no slēdža ģeometrijas (nanovada garuma, diametra, Junga moduļa, attāluma līdz elektrodam, elektroda lieluma).

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros tika veiksmīgi sakārtoti CuO nanovadi uz elektrodiem, kā arī veikti to elektrisko īpašību mērījumi atkarībā no tā, kā ir izveidoti to elektriskie kontakti.

Projekta rezultāti prezentēti starptautiskā zinātniskā konferencē "Latvijas Universitātes 77. Starptautiskā zinātniskā konference" ar referātiem:
1. M. Ramma, J. Kosmaca, L. Jasulaņeca, R. Meija, G. Kunakova, R. Sondors, D. Erts
“Viendimensionālu nanostruktūra sakārtošana uz elektrodiem ar dielektroforēzi / One dimensional nanostructure alignment on electrodes through dielectrophoresis”
2. R. Sondors, R. Meija, J. Kosmača, D. Erts “CuO nanovadu sintēze ar termiskās oksidācijas metodi / Synthesis of CuO nanowires by thermal oxidation method”.

Publicēts 21.02.2019.

01.03.2019. – 31.05.2019

Fundamentālā pētījuma ietvaros tika veikta kontakta adhēzijas spēku analītiska aprēķināšana un modelēšana, lai no nanovada izmēriem, formas un kontakta raupjuma noteiktu adhēzijas spēku kontaktā.

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros tika veikta CuO un Bi2Se3 nanovadu sintēze nanovadu sakārtošanai uz nanovadiem NEM slēdžu izveidei. Tika veikta CuO nanovadu formas raksturošana un to mehānisko īpašību mērījumi ar atomspēku mikroskopu, izmantojot trīs punktu metodi. Iegūtie dati tika analizēti.
Tika izveidotas dažādu konfirgurāciju elektrodu sistēmas, izmantojot trīspakāpju litogrāfiju uz Si/SiO2 pamatnēm, kuras tika testētas  pielietojumam NEM slēdžos (kodināšanas parametri, nevadošā slāņa caursites spriegums, elektrodu forma, augstums).

Projekta rezultāti tika prezentēti starptautiskā zinātniskā konferencē "Nano Boston" ar referātu:  Jelena Kosmaca, Raimonds Meija, Mikk Antsov, Matiss M. Ramma, Raitis Sondors, Jana Andzane, Justin D. Holmes, Donats Erts
“Application of one-dimensional GeSn, CuO and Bi2Se3 nanomaterials in nanoelectromechanical switches”

Publicēts 22.05.2019.

01.06.2019.-31.08.2019.

Fundamentālā pētījuma ietvaros, vadoties no eksperimentālajiem rezultātiem, tika optimizēts izstrādātais modelis, lai aprēķinātu spriegumu nanovada ielekšanai kontaktā atkarībā no tā ģeometrijas un materiāla īpašībām.

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros tika veikti nanoelektromehānisku slēdžu mērījumu divos galos nostiprinātu nanovadu konfigurācijā (tiek veikta elektrodu izveide, nanovadu uznešana uz elektrodiem, to elektriskā testēšana). Iegūtie rezultāti tika analizēti un salīdzināti ar teorētisko modeli. Tika veikti mērījumi vara oksīda nanovadu mehānisko īpašību noteikšanai.

Projekta rezultāti publicēti trīs augsta kvalitātes starptautiskos zinātniskos žurnālos:

 1. Kosmaca, J.; Meija, R.; Antsov, M.; Kunakova, G.; Sondors, R.; Iatsunskyi, I.; Coy, E.; Doherty, J.; Biswas, S.; Holmes, J. D.; et al. Investigating the Mechanical Properties of GeSn Nanowires. Nanoscale 2019, 11 (28), 13612–13619. https://doi.org/10.1039/C9NR02740H.

 2. Kunakova, G.; Meija, R.; Andzane, J.; Malinovskis, U.; Petersons, G.; Baitimirova, M.; Bechelany, M.; Bauch, T.; Lombardi, F.; Erts, D. Surface Structure Promoted High-Yield Growth and Magnetotransport Properties of Bi2Se3 Nanoribbons. Sci. Rep. 2019, 9 (1), 11328. https://doi.org/10.1038/s41598-019-47547-0.

 3. Meija, R.; Livshits, A. I.; Kosmaca, J.; Jasulaneca, L.; Andzane, J.; Biswas, S.; Holmes, J. D.; Erts, D. Resonance Assisted Jump-in Voltage Reduction for Electrostatically Actuated Nanobeam-Based Gateless NEM Switches. Nanotechnology 2019, 30 (38), 385203. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab2b11.

Projekta rezultāti prezentēti starptautiskās konferencēs:

 1. Donats Erts, Bi2Se3 nanoribbons: synthesis, properties and application in NEMS, Telluride 2019 "Solution Based Synthesis of Nanomaterials and their Organization for Hybrid Device Structures", Austrālija, 5.-8. augusts, 2019. Mutiska prezentācija.

 2. Raitis Sondors, Matiss M. Ramma, Edijs Kauranens, Jelena Kosmaca, Raimonds Meija, Mikk Antsov, Donats Erts, High Yield CuO Nanowire Growth Via Thermal Oxidation Method for Application in Nanoelectromechanical Switches, Advanced Materials and Technologies, Palanga, Lietuva, 19.-23. augusts, 2019. Stenda referāts.

 3. Raimonds Meija, Liga Jasulaneca, Jelena Kosmaca, Jana Andzane, Matiss M. Ramma, Edijs Kauranens, Donats Erts, NEM switch operating voltage reduction and a combined lithography-dielectrophoresis method for NEM switch production, Palanga, Lietuva, 19.-23. augusts, 2019. Stenda referāts.

Publicēts 19.08.2019.

01.09.2019.-30.11.2019.

Fundamentālā pētījuma ietvaros tika veikta vara oksīda un bismuta selenīda nanovadu pieslēgšanās sprieguma noteikšana dažādām nanoslēdžu ģeometrijām un to vērtības tika salīdzinātas ar teorētiski aprēķinātajām.

Rūpnieciskā pētījuma ietvaros tika izgatavoti divi nanoelektromehāniskā slēdža prototipa varianti un noteikti to darbības parametri.

Sagatavoti divu rakstu manuskripti :

“High Yield CuO Nanowire Growth Via Thermal Oxidation Method for Application in Nanoelectromechanical Switches” un “Bottom-up assembly of CuO nanowires by dielectrophoresis and nanomanipulations”,

Sagatavota un iesniegta nodaļa gāmatai “NATO Science for Peace and Security Series” by Springer Nature:

J. Kosmaca, L. Jasulaneca, R. Meija, R. Sondors and D. Erts “Nanowires for NEMS switches”

Publicēts 15.11.2019

01.12.2019.-29.02.2020.

Ir veiksmīgi noslēgts projekts un sasniegti šādi rezultāti:

Iesniegti publicēšanai trīs zinātniskie raksti:

Par CuO nanovadu audzēšanu un to fizikālajām īpašībām: Sondors R., Kosmaca J., Kunakova G., Jasulaneca L., Ramma M. M., Meija R., Kauranens E., Antsov M. un Erts D.: “Size distribution, mechanical and electrical properties of CuO nanowires grown by modified thermal oxidation methods”.

Par nanovadu sakārtošanu uz elektrodiem ar dielektroforēzes metodi un sakārtoto nanovadu elektrisko īpašību atkarību no apkārtējās vides: Ramma M. M., Katkevics J., Jasulaneca L., Kunakova G., Sondors R., Meija R., Erts D. un Kosmaca J.: “Dielectrophoretically aligned CuO nanowire interconnects for NEMS sensors”.

Par NEM slēdža izveidi uz substrāta un tā darbības parametriem: Jasulaneca L., Livshits A. I., Meija R., Kosmaca J., Sondors R., Ramma M. M., Jevdokimovs D., Prikulis J. un Erts D., “Fabrication and characterization of CuO nanowire based nanoelectromechanical switches”

Patentu valdē iesniegts Latvijas patenta pieteikums “Nanovadu iegūšana” par efektīvu pārejas metālu halkogenīdu sintēzi.

Ir sagatavoti 3 tehnoloģiju prototipi par NEM slēdžu elektrodu izveidi (1), to virsmas apstrādi (2) un par NEM slēdžu iekapsulēšanu vakuuma vidē (3).

Ir sagatavoti 2 produktu prototipi ar to aprakstiem par NEM slēdzi kā zemas strāvas nodrošinātāju un signāla pārvades kontrolieri.

Projekta rezultāti ir prezentēti ar 4 referātiem starptautiskās zinātniskās konferencēs:

Erts D., Jasulaneca L., Meija R., Kosmaca J.,  Ramma, M. M., Sondors R., Livsics A.I., “Nanowire-based nanoelectromechanical switches” Singapore International Conference on Applied Science and Engineering, 13-14 februāris 2020., Singapūra.

Jasulaneca L., Kosmaca J., Meija R., Livshits A.I., Erts D., “Switching with Semiconductor Nanowires” 31st European Congress on Nanotechnology and Materials Engineering, 12.-13. februāris 2020., Parīze Francija.

Meija R., Kosmaca J., Antsov M., Sondors R., Holmes J. D., Erts D., “Mechanical and electrical properties of GeSn nanowires and theri application in NEM switches” Nanotech Middle East 2020, 24-26 februāris 2020., Dubaja, AAE.

Ramma M. M., Kosmaca J., Sondors R., Jasulaneca L., Meija R., Erts D., “Nanowire alignment on electrodes using dielectrophoresis for the creation of nanoelectromechanical switches”, The 78^th International Scientific Conference of the University of Latvia, februāris, 2020, Rīga, Latvija

Publicēts 02.03.2020