Akadēmiskais centrs
Projekta nosaukums latviski: Topoloģiskie pusmetāli energoefektīvai elektronikai
Projekta nosaukums angliski: Topological semimetals towards low-dissipation electronics
Projekta numurs: lzp-2021/1-0302
Projekta īstenotājs: Latvijas Universitāte (LU)
Projekta sadarbības partneri: Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts
Projekta vadītājs: Gunta Kunakova
Projekta īstenošanas vadošā struktūrvienība LU ir Ķīmiskās fizikas institūts.
Projekta īstenošanas periods: 03.01.2022. – 30.12.2024.
Projekta kopējais finansējums: 299 999,70 EUR, tajā skaitā LU projekta daļai piešķirtais finansējums: 218 999,70 EUR
Informācija par projektu:
Slāņveida divdimensionālie pārejas metālu dihalkogenīdi (PMD) ir nozīmīgi kvantu materiāli pielietojumiem enerģētikā un informācijas tehnoloģijā. Nesenie atklājumi par 2D topoloģiskā izolatora īpašībām un no tām izrietošo kvantu spinu holla fāzi vienslāņa PMD, un II tipa Veila (Weyl) pusmetāla fāzi daudzslāņu PMD kristālos ir rosinājuši aktīvu šo materiālu sintēzes un apstrādes pētniecību. Pašlaik lielākā daļa fundamentālo pētījumu jauno īpašību eksperimentālai pierādīšanai un manipulēšanai ir veikti paraugos, kas izgatavoti no atslāņotām PMD plāksnītēm, tās uznesot uz citiem 2D materiāliem, piemēram, uz heksagonāla bora nitrīda (hBN). Šī pieeja ir piemērota teorētiski paredzēto jauno īpašību eksperimentālai pierādīšanai un demonstrēšanai, taču nav izmantojama praktisku pielietojumu attīstīšanā, jo šādi izgatavotās ierīces ir grūti atkārtot.
Šī projekta mērķis ir izstrādāt TMD, īpaši WTe2 un klasisko 2D materiālu (piem. hBN) heterostruktūru sintēzes metodes, pilnveidojot šobrīd pieejamās TMD iegūšanas metodes. No iegūtajām WTe2/2D materiālu heterostruktūrām plānots izgatavot nanoierīces fundamentāliem lādiņnesēju transporta pētījumiem, fokusējoties uz lādiņnesēju transportu no topoloģiskajām malām (edge states).
Zinātniskā grupa:
Latvijas Universitāte
- vadošais pētnieks/ zinātniskais vadītājs – Gunta Kunakova;
- vadošais pētnieks/ izpildītājs – Jānis Švirksts;
- vadošais viespētnieks/ izpildītājs – Nataliya Amirulloeva (Ukrainas pētniece);
- izpildītājs (studējošais) – Andrejs Terehovs (Bakalaura studiju programma “Ķīmija”);
- izpildītājs (studējošais) – Jeļena Sušinska (Maģistra studiju programma “Ķīmija);
- izpildītājs (studējošais) – Darja Dolbe (Bakalaura studiju programma “Ķīmija”);
- izpildītājs (studējošais) – Āris Jansons (Doktorantūras studiju programma “”Ķīmija”).
Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts
- vadošais pētnieks/ izpildītājs – Gatis Mozoļevskis;
- izpildītājs (studējošais) – Helēna Ose (Bakalaura studiju programma “Fizika”).
Projektā paveiktais:
Augstas kvalitātes WTe2/hBN heterostruktūru sintēzes metožu attīstīšanai projekta pirmajā ceturksnī strādāts aktivitātē <WP1> “WTe2 sintēze”, sīkāk fokusējoties uz sekojošiem uzdevumiem: 1) sintēzes iekārtas uzstādīšana un sagatavošana darbam. Neraugoties uz to, ka LU Ķīmiskās fizikas institūtā (turpmāk LU ĶFI) ir visa nepieciešamā infrastruktūra WTe2 kārtiņu iegūšanai ar ķīmiskā tvaika nogulsnēšanas (CVD) metodi, lai intensificētu piemērotāko sintēzes parametru noteikšanu, nolemts uzstādīt specifiski šīm sintēzēm paredzētu iekārtu – divu zonu cauruļkrāsni. 2) Papildināt sintēzes metožu literatūras priekšizpētes kopsavilkumu ar jaunākajiem publicētajiem datiem un izvēlēt piemērotākās stratēģijas. Projekta aktivitātē <WP1> sākotnēji tika paredzēts attīstīt divas CVD pieejas – a) no WTe2 un b) WCl6/W(CO)6 /Te prekursoriem. Tomēr minētie prekursori strauji oksidējas / ir nestabili vienkāršos laboratorijas apstākļos, līdz ar to šis faktors sintēzē potenciāli ieviestu papildus parametru “prekursora tīrība un uzglabāšana”, tādēļ sākotnējām sintēzēm izvēlēts oksīds WO3, ar NaCl piedevu. 3) Sintēzes parametru noteikšana WTe2 iegūšanai uz Si/SiO2 pamatnes.
Pirmajā ceturksnī arī sekmīgi uzsākta projekta darba grupas komplektēšana, piesaistot divus izpildītājus – studējošos bakalaura un maģistra programmās “Ķīmija”.
Šajā ceturksnī turpināts darbs pie WTe2 kārtiņu sintēzes parametru noteikšanas, par pamatni izmantojot Si/SiO2. Attīstot sintēzes metodiku apzināti šādi ietekmējošie faktori – temperatūra, karsēšanas ātrums, spiediens, Ar/H2 attiecība, H2 pievadīšanas ilgums, reakcijas laiks, prekursora sastāvs. Daļa no minēto parametru sākuma vērtībām ņemtas no literatūras datiem kā fiksētās un pārējās tiek noteiktas veicot sērijveida sintēzes. Noteikts, ka viens no nozīmīgākajiem faktoriem ir “sintēzes ģeometrija”, tas ir, paraugu un prekursoru savstarpējs izvietojums. Vienā no šādām testa sintēzēm (Si/SiO2 pamatnes novietotas stateniski, laiviņā kopā ar prekursoru), līdz ar dažādu pilienveida struktūru pārklājumu, iegūti nanovadi (skat. optiskā mikroskopa attēlu, pa labi), kas satur W (EDX dati), bet Te signāls - vājas intensitātes. Ņemot vērā, ka WTe2 nanovadu un nanolenšu formā piemīt precīzi definētas malas, šīs
struktūras ir daudzsološas turpmākos fundamentālos eksotiskā “malas stāvokļu” lādiņnesēju transporta pētījumos.
Paralēli darbam aktivitātēs <WP1> (sintēze) un <WP2> (iegūto struktūru raksturošana), veikta iesaistīto studējošo apmācība darbam ar skenējošo elektronu mikroskopiju, atomspēku mikroskopiju, kā arī darbam tīrtelpās (projekta partnera institūcijā Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā).
Periodā turpināts darbs projekta aktivitātēs <WP1> (sintēze) un <WP2> (iegūto struktūru raksturošana). Turpināta iepriekš uzsākto sintēžu metodiku attīstīšana, fokusējoties trīs virzienos:
1) WTe2 plānās kārtiņas / plānslāņa struktūru iegūšana uz Si/SiO2. Līdz šim iegūti neviendabīgi pārklājumi, vairākus simtus mikrometru biezi vai pretēji – smalki (ap ~500 nm) kristāli pilienu centrā, kā arī pilienveida struktūras. Stehiometrijas pētījumi (EDX) skenējošajā elektronu mikroskopā norāda, ka lielie kristāli sastāv lielākoties no W (Te signālus EDX spektros nekonstatē), bet smalkie – W:Te (skat. attēlā).
WTe2 nanostruktūras uz Si/SiO2 pamatnes, EDX kartēšana skenējošajā elektronu mikroskopā (A. Terehovs, sintēze 02.08.2022). Skala SEM attēlā pa kreisi sakrīt ar norādīto elementu kartēšanas attēlā centrā – 1 mm.
Šiem paraugiem uzņemti arī XPS spektri (partnera institūcija), kas apstiprina nestehiometrisku WTe2 un skābekļa klātbūtni, norādot, ka sintezētais materiāls oksidējies gaisā.
2) WTe2 nanovadu sintēze. Paralēli WTe2 plāno kārtiņu iegūšanai, attīstīta arī metodika nanovadu sintēzei. WTe2 nanovadus plānots iegūt no WOx nanovadiem, kas sintezēti uz SiO2 pamatnēm. Salīdzinājumā ar WTe2/hBN struktūrām, nanovadus un nanolentes var ērti pārnest uz cita vēlamā substrāta, kā arī to ģeometriskā forma īpaši piemērota fundamentālu lādiņnesēju transporta īpašību pētījumiem.
3) WTe2 kārtiņu sintēze no WOx kārtiņām. Alternatīvi sarežģītajai daudz-parametru WTe2 plāno struktūru sintēzei no W: un Te prekursora, WTe2 kārtiņas varētu iegūt Te vidē karsējot uzputinātu oksidēta W slāni. WOx kārtiņas ar biezumu 15 – 30 nm uz Si/SiO2 pamatnēm izgatavotas partnera institūcijā.
Paralēli dažādo sintēzes metožu attīstīšanai, šajā ceturksnī darba sludinājumu portālā Euraxesss izsludināta vakance (Research Assistant/Doctoral Student: 2D Transition Metal Dichalcogenide topological insulators, pieteikšanās termiņš līdz 01.09.2022), kā arī vietējā sludinājumu portālā https://cv.lv/lv/vacancy/868990/latvijas-universitate-lu/phd-position-in-the-field-of-experimental-condensed-matter-physics (pieteikšanās termiņš līdz 05.09.2022).
Uz Euraxess un cv.lv izsludinātajām vakancēm pieteikušies vairāki kandidāti, no kuriem piemērotākais (projekta asistents Spintronikas un plāno kārtiņu magnētiskuma grupā, Fizikas fakultāte, Indijas Zinātņu institūts, Bangalora, Indija) ir uzsācis izglītības dokumentu pielīdzināšanas procedūru.
Ceturkšņa beigās aktivitātes projekta ietvarā tika prezentētas ikgadējā Eiropas Zinātnieku nakts pasākumā, kas norisinājās Dabaszinātņu akadēmiskajā centrā. https://www.lu.lv/notikumi/diena/notikums/e/zinatnieku-nakts-6/ . http://foto.lu.lv/arhiivs/2022/i_sep/30b/slides/ZN_031.html http://foto.lu.lv/arhiivs/2022/i_sep/30b/slides/ZN_051.html
Lai uzlabotu WTe2 kristālu stehiometriju un iegūtu plānslāņu struktūras uz Si/SiO2 pamatnēm, turpināts darbs piemērotākās “sintēzes ģeometrijas” parametru noskaidrošanai. Vienā no šādām sintēzēm izdevies iegūt plānslāņa struktūras un WTe2 kristālus (skat. optiskā mikroskopa attēlus). Izgatavotajiem paraugiem veiktas EDX / SEM, kā arī XPS analīzes, kas norāda uz stehiometrisku WTe2. Izmantojot šo “sintēzes ģeometriju”, sīkāk pētīta sintēzes reakcijas laika un temperatūras ietekme, ar mērķi noteikt apstākļus, pie kādiem var kontrolēti iegūt plānslāņa struktūras vai kristālus. Ņemot noteiktos sintēzes parametrus stehiometriska WTe2 iegūšanai uz Si/SiO2 pamatnēm, uzsākti eksperimenti testa sintēžu veikšanai uz Si/SiO2/hBN pamatnēm.
Papildus WTe2 kristālu un plānslāņa struktūru sintēzēm uz Si/SiO2 un Si/SiO2/hBN pamatnēm, turpināts darbs pie WTe2 nanovadu sintēzes un raksturošanas. Nanovadu sintēzes metodiku izstrādi plānots iekļaut kursa darbā (Maģistra studiju prog., 2. kursa studente J. Sušinska).
Neraugoties uz to, ka pēc darba sludinājumu izvietošanas sekmīgi atrasts kandidāts ar projekta izpildei nepieciešamajām prasmēm, dokumentu atzīšana un vīzas procedūra aizņems vairākus mēnešus. Lai veicinātu projektā izvirzīto mērķu sasniegšanu, plānots piesaistīt pētnieci Asoc. prof. N. Amirulloievu, no SHEI Piedņepras Valsts civilās inženierijas un arhitektūras akadēmijas (SHEI Prydniprovska State Academy of Civil Engineering and Architecture), Dnipro, Ukraina.
Saskaņā ar izsludināto konkursu Ukrainas pētnieku iesaistei FLPP projektos https://www.lzp.gov.lv/lv/jaunums/par-ukrainas-petnieku-iesaisti-fundamentalo-un-lietisko-petijumu-projektos , iesniegti dokumenti pētnieces Asoc. prof. N. Amirulloievas nodarbināšanai projektā 02.11 – 31.12.2022, papildus pētījumu veikšanai:
1.1. veikt literatūras pētījumu ar iespējamiem eksperimentāliem priekšmēģinājumiem 2D materiālu iegūšanai ar elektroķīmiskajām metodēm un izstrādāt tā apkopojumu;
1.2. nodrošināt WTe2 iegūšanu no WO3 kārtiņām un veikt sintēzes parametru izpēti, un iegūto rezultātu apkopojumu stehiometriska WTe2 iegūšanai;
1.3. veikt iegūto paraugu morfoloģijas un stehiometrijas pētījumu, izmantojot skenējošo elektronu mikroskopiju un EDX.
Perioda izskaņā paveikti visi plānotie papildus pētījumi, sagatavots arī literatūras apskats 2D (pārejas pusmetālu halkogenīdu) iegūšanai ar elektroķīmiskām metodēm.
Šajā ceturksnī turpināta sintēzes metožu pilnveidošana, uzlabojot dažādu iegūstamo WTe2 materiālu kvalitāti – darbs aktivitātēs <WP1> (sintēze) un <WP2> (iegūto struktūru raksturošana)>, kā arī uzsākta nanoierīču izgatavošana (aktivitāte <WP3>) un lādiņnesēju transporta pētījumi (aktivitāte <WP4>):
- WTe2 plānās kārtiņas / plānslāņa struktūru iegūšana. Izmantojot noteiktos sintēzes parametrus un “sintēzes ģeometriju” stehiometrisku WTe2 struktūru iegūšanai uz Si/SiO2 pamatnēm, veiktas sintēzes heterostruktūru izgatavošanai: 1.1) vertikālas heterostruktūras ar h-BN. Šo struktūru sintēzē izmantotas ar h-BN monoslāni pārklātas Si/SiO2 pamatnes. Salīdzinot ar sintēzi uz SiO2, iegūto WTe2 struktūru skaits uz SiO2/hBN ir daudzkārt mazāks, bet uz atsevišķām Si/SiO2/hBN pamatnēm iegūti WTe2 kristāli. Turpināts darbs sintēzes parametru pielāgošanai lielāka WTe2 struktūru blīvuma uz laukuma vienību iegūšanai. 1.2) Laterālu heterostruktūru iegūšana. Uz Si/SiO2 pamatnēm pārnestas atslāņotas dažāda hBN pārslas, un veikta WTe2 sintēze, sākotnējie rezultāti norāda uz laterālu heterostruktūru veidošanos.
- WTe2 nanovadu sintēze. Pārskata periodā aizstāvēts kursa darbs Maģistra studiju programmā “Ķīmija”, par WTe2 nanovadu sintēzi, un uzsākts darbs pie maģistra darba izstrādes. WTe2 nanovadu iegūšanai tiks izpētītas vairākas nanovadu sintēzes metodes (uz Si un SiO2 pamatnēm, ar Na piejaukumiem un bez), pamatā izmantojot brīvi stāvošu WOx nanovadu telurizēšanu, konvertējot tos uz WTe2 nanovadiem. Uzsākta iegūto nanovadu integrēšana ierīcēs lādiņnesēju transporta pētījumiem.
- WTe2 kārtiņu sintēze no WOx kārtiņām. Šīs metodes izstrādā iepriekšējā ceturksnī piesaistītā Ukraiņu pētniece, kas pēc papildus pabalsta (periods 02.11 – 31.12.2022) veiksmīgi iekļāvusies projekta darba grupā. Pielāgojot izkarsēšanas laiku un temperatūru Te vidē, iegūtas stehiometriskas WTe2 kārtiņas. Daļai no sagatavotajiem plāno kārtiņu paraugiem veikti lādiņnesēju transporta mērījumi. Veicot WTe2 kārtiņu sintēzes, atrasti parametri, pie kuriem uz kārtiņām aug arī WTe2 nanolentes.
Pārskata periodā uzsākta publikāciju manuskriptu sagatavošana. Līdz šim projekta ietvaros iegūtas augstas kvalitātes, stehiometriskas WTe2 struktūras uz Si/SiO2 pamatnēm, kā arī heterostruktūras ar hBN, WTe2 plānās kārtiņas un WTe2 nanovadi. Projekta ietvaros izstrādāts un 08.06.2023 aizstāvēts maģistra darbs – J. Sušinska, “Volframa telurīda nanovadu sintēze un raksturošana”.
Kopumā šajā ceturksnī projektā sasniegtie rezultāti prezentēti 4 konferencēs (vietējās un starptautiskās):
- J. Sušinska, G. Kunakova. Synthesis of tungsten ditelluride nanostructures, 81th International Scientific Conference of the University of Latvia, Section “Nanotechnologies and Radiation Processes”, April 5, 2023, Riga, Latvia, oral.
- Terehovs, A. Šarakovskis, G. Kunakova. CVD growth of WTe2 monolayers on insulating substrates. 81th International Scientific Conference of the University of Latvia, Section “Nanotechnologies and Radiation Processes”, April 5, 2023, Riga, Latvia, oral.
- J. Sušinska, G. Kunakova. Growth and characterisation of WOx and WTe2 nanowires. NanoOstrava 2023, 15-18 May 2023, Ostrava, Czech Republic, poster.
- N. Amirulloieva, G. Mozolevskis, G. Kunakova. Synthesis and charge transport characterisation of WTe2 thin films. International Conference of Students and Young Scientists in Theoretical and Experimental Physics, HEUREKA-2023, May 16-18, 2023 Lviv, Ukraine (held online).
Šajā ceturksnī darbu projektā uzsākuši divi jauni darbinieki. Ā. Jansons (Doktorantūras studiju programma “”Ķīmija”) uzsācis darbu projekta aktivitātē <WP3> (nanoierīces lādiņnesēju transporta pētījumiem), fokusējoties uz plānslāņa WTe2 struktūru un to heterostruktūru ar hBN iekapsulēšanas stratēģiju izstrādi. D. Dolbe (Bakalaura studiju programma “Ķīmija”) uzsākusi darbu aktivitātē <WP2> (iegūto struktūru raksturošana), kur plānots veikt AFM mērījumus dažāda biezuma WTe2 struktūrām.