Topoloģisko izolatoru nanoelektromehānikas strāvas kontroles ierīces pielietojumiem kriogēnās temperatūrās

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Topoloģisko izolatoru Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Kā galvenais mainīgais parametrs iznākuma un nanovadu morfoloģijas kontrolei tiek izmantots zelta katalizatora kārtiņas biezums. Ar termisko iztvaicēšanu uzklātais pārklājums tiek karsēts krāsnī, lai izraisītu Au nanodaļiņu veidošanos. Ar skenējošo elektronu mikroskopu veikta Au nanodaļiņu izmēru sadalījuma raksturošana. Noteikta Au nanodaļiņu izmēru atkarība no sākotnējā Au pārklājuma biezuma.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzes metodi un mehāniskajai pārnesei. Izmantojot optisko litogrāfiju, slapjo kodināšanu un metālu termisko iztvaicēšanu, tiek izveidotas elektrodu sistēmas ar dažādiem attālumiem starp elektrodiem un dažādiem elektrodu platumiem, lai pārbaudītu, kura ļaus efektīvāk izveidot nanovadu savienojumus starp elektrodiem dielektroforēzes procesa un sausās pārneses laikā.
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Izmantojot ar zelta katalizatoru sintezētos nanovadus, tiek pagatavota nanovadu suspensija izopropanolā un optimizēta nanovadu koncentrācija dielektroforēzes pielietojumiem. Nanovadu atdalīšana no sintēzes produktiem ar atšķirīgu morfoloģiju.
• Literatūras izpēte par iespējām pārvērst ļoti mazus pārvietojumus, kas rodas elektriski ierosinātas nanovadu mehāniskās rezonanses laikā, elektriski detektējamos signālos. Salīdzinātas magnetomotīvās, kapacitatīvās un pjezorezistīvās detektēšanas shēmas, to pielietojumi, prasības un ierobežojumi, kā arī integrēšanas iespējas ar fizikālo īpašību mērīšanas sistēmu.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Topoloģisko izolatoru Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Ar skenējošo elektronu mikroskopu veikta sistemātiska iegūto nanovadu iznākuma raksturošana atkarībā no Au katalizatora nanodaļiņu izmēra un skaita uz laukuma vienību, meklējot optimālos parametrus iznākuma maksimizēšanai un morfoloģijas kontrolei.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzi un mehānisko pārnesi. Elektrodu sistēmu skaita uz vienas silīcija plāksnītes optimizācija, lai iegūtu maksimālo nanovadu savienojumu skaitu un vienlaicīgi nodrošinātu individuālus savienojumus.
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Tiek variēta nanovadu koncentrācija suspensijā, elektriskā lauka amplitūda un frekvence, lai optimizētu nanovadu savienojumu skaitu. Optimizēta superkritiskās žāvēšanas procedūra, lai nanovadi nepieliptu pie virsmas un varētu iegūt iekārtus nanovadus nanoelektromehāniskajai pārslēgšanai un mehāniskās rezonanses noteikšanai.
• Lādiņnesēju transporta mērījumi ar zelta katalizatoru sintezētajos individuālos Bi₂Se₃ nanovados. Lai veiktu lādiņnesēju transporta mērījumus, optimizēti Bi₂Se₃ nanovadu/metāla kontakti, izmantojot slapjo kodināšanu skābju maisījumā. Noteikts kodināšanas ātrums, selektivitāte, kodinātās virsmas raupjums.
• Ar fizikālo īpašību mērīšanas sistēmu savietojamas elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi₂Se₃ nanovadu rezonanses noteikšanai ar mērķi nomērīt nanovadu Junga moduļa atkarību no temperatūras.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Sintezēto nanovadu skaita uz laukuma vienību noteikšana, izmantojot skenējošā elektronu mikroskopa attēlus.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošanai nanoelektromehānisku slēdžu un mehāniskās rezonanses sistēmas izveidei.
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi. Frekvences un amplitūdas piemeklēšana dielektroforēzes parametru optimizēšanai.
• Kontaktu optimizācija, izmantojot kodināšanu un iztvaicētā metāla biezumu. Rezultātā iegūti omiski zemas pretestības kontakti. Fizikālo īpašību mērīšanas sistēmā noteikta nanovadu pretestības atkarība no temperatūras un magnētiskā lauka.
• Lādiņnesēju transporta datu analīze, īpatnējās pretestības aprēķins un magnetopretestības oscilāciju analīze
• Elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi₂Se₃ nanovadu rezonanses noteikšanai: sistēmas ģeometrijas optimizācija darbam frekvenču diapazonā ar visliekāko signāla/trokšņa attiecību.
• Bi₂Se₃ nanovadu Junga moduļa noteikšana, izmantojot ielekšanas spriegumu; Nanoelektromehāniska uz individuāla Bi₂Se₃ nanovada balstīta slēdža ģeometrijas aprēķins veiksmīgai nanoelektromehāniska slēdža darbībai
• Projekta rezultātu prezentēšana 22. starptautiskajā konferencē-skolā “Advanced materials and technologies 2020", 24 – 28. augustā 2020. g., Palangā, Lietuvā

Edijs Kauranens, Liga Jasulaneca, Raitis Sondors, Matiss Martins Ramma, Raimonds Meija, Kiryl Niherysh, Jana Andzane, Donats Erts. Dependence of Electrical Properties of Bismuth Selenide Nanowires on Temperature and Magnetic Field

Liga Jasulaneca, Matiss Martins Ramma, Raitis Sondors, Raimonds Meija, Edijs Kauranens, Donats Erts. Fabrication of suspended Bi₂Se₃ nanoribbon structures for characterization and device application

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Sintezēto nanovadu garuma un platuma noteikšana, izmantojot skenējošā elektronu mikroskopa attēlus.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana ar maziem attālumiem starp nanovadu un apakšējo elektrodu ar mērķi samazināt nanoelektromehāniska slēdža ieslēgšanās spriegumu.
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi, iznākuma salīdzinājums dažādiem elektrodu dizainiem.
• Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi₂Se₃ nanolentās atkarībā no mehāniskā sprieguma un elektriskā lauka. Mērījumi veikti gan in situ skenējošā elektronu mikroskopā, gan fizikālo īpašību mērīšanas sistēmā
• Bi₂Se₃ nanovadu kontaktpretestības samazināšana ar slapjo un sauso kodināšanu. Bi₂Se₃ nanovadu lādiņnesēju transporta datu analīze dažāda biezuma nanovadiem.
• Elektriskās detektēšanas sistēmas izstrāde Bi₂Se₃ nanovadu rezonanses noteikšanai
• Bi₂Se₃ nanovadu Junga moduļa noteikšana no ielekšanas sprieguma; nanoelektromehāniska slēdža ielekšanas spriegumu modelēšana
• Publikācijas sagatavošana par nanoelektromehāniska uz individuāla Bi₂Se₃ nanovada balstīta slēdža darbību kriogēnās temperatūrās un iesniegšana starptautiski recenzētā žurnālā Materials Science and Engineering: B

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Nanovadu biezuma mērījumi, izmantojot atomspēku mikroskopu. Publikācijas gatavošana par Bi₂Se₃ nanovadu sintēzi ar kontrolētu morfoloģiju un augstu iznākumu.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi₂Se₃ nanovadu mehāniskai pārnesei un rezonanses frekvences noteikšanai.
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi un mehāniska pārnešana
• Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās dažāda biezuma Bi₂Se₃ nanolentās atkarībā no temperatūras un lādiņnesēju transporta datu analīze
• Bi₂Se₃  nanovadu Junga moduļa noteikšana no ielekšanas sprieguma, ģeometrijas aprēķins veiksmīgai NEM slēdža darbībai
• Projekta rezultātu prezentēšana Latvijas Universitātes 79. starptautiskajā zinātniskajā konferencē

Edijs Kauranens, Liga Jasulaneca, Raitis Sondors, Gunta Kunakova, Donats Erts. Wet etching methods for bismuth selenide nanowire low resistance electric contact fabrication

Liga Jasulaneca, Raimonds Meija, Edijs Kauranens, Raitis Sondors, Jana Andzane, Juris Prikulis, Gunta Kunakova, Donats Erts. Fabrication and characterization of on-chip semiconductor nanowire nanoelectromechanical switches

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēzes iznākuma optimizēšana. Rentgenstaru difrakcijas mērījumi nanovadu augšanas virziena noteikšanai. Enerģijas dispersijas rentgenstaru spektroskopijas mērījumi nanovadu stehiometrijas noteikšanai. Publikācijas gatavošana un iesniegšana starptautiski recenzētā žurnālā Nanomaterials par Bi₂Se₃ nanovadu sintēzi ar kontrolētu morfoloģiju un augstu iznākumu. Tehnoloģijas izstrāde par Bi₂Se₃ nanovadu sintēzi ar augstu iznākumu.
• Elektrodu sistēmu izgatavošana Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošanai ar dielektroforēzi un mehāniskai pārnesei
• Sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana ar dielektroforēzi un mehāniska pārnese uz elektrodu sistēmām. Optimizēts dielektroforēzes elektrodu dizains, lai iegūtu 50% nanovadu savienojumu.
• Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi₂Se₃ nanolentās temperatūru diapazonā 2-300 K un lādiņnesēju transporta datu analīze
• Optimālās nanoelektromehāniska slēdža ģeometrijas aprēķins, balstoties uz iepriekšējās darbībās noteiktajām prasībām un Bi₂Se₃ nanovadu īpašībām
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas izstrāde, signāla/trokšņa attiecības palielināšana
• Projekta rezultātu populārzinātniska pārskata demonstrēšana Eiropas Zinātnieku naktī 2021.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēze, izmantojot zelta katalizatoru. Elektrodu sistēmu izgatavošana ar fotolitogrāfiju. Bi₂Se₃ nanovadu kārtošana ar dielektroforēzi un mehāniska pārnese virs padziļinājumiem.
• Litogrāfijas procesa optimizācija četrpunktu kontaktu izgatavošanai (piemērotākā elektronu rezista un ekspozīcijas parametru piemeklēšana).
• Lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi₂Se₃ nanolentās temperatūru diapazonā 2-20 K un lādiņnesēju transporta datu analīze. Garenvirziena pretestības atkarības no magnētiskā lauka un deformācijas (liecot elektrostatiskajā laukā) mērījumi.
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas izstrāde, iespiedplates izgatavošana.
• Publicēta publikācija starptautiski recenzētā žurnālā Nanomaterials par Bi₂Se₃ nanovadu sintēzi ar kontrolētu morfoloģiju un augstu iznākumu. Dalība konferencē Advanced Materials and Technologies 2021 ar trim dažādiem stenda referātiem.

Publicitāte:

• Sondors, R.; Kunakova, G.; Jasulaneca, L.; Andzane, J.; Kauranens, E.; Bechelany, M.; Erts, D. High-Yield Growth and Tunable Morphology of Bi₂Se₃ Nanoribbons Synthesized on Thermally Dewetted Au. Nanomaterials 2021, 11 (8), 2020. https://doi.org/10.3390/nano11082020
• Dalība konferencē Advanced Materials and Technologies 2021 ar stenda referātiem (23. – 27. augustā, Palangā, Lietuvā):
  • Sondors, R.; Kunakova, G.; Dzene, E.; Jasulaneca, L.; Andzane, J.; Kauranens, E.; Erts, D. ‘Effect of Au catalyst morphology on the growth of Bi₂Se₃ nanoribbons’.
  • Jasulaneca, L.; Kauranens, E.; Sondors, R.; Dzene, E.; Andzane, J.; Erts, D. ‘Switching with Bi₂Se₃ nanoribbons at cryogenic temperatures’.
  • Kauranens, E.; Jasulaneca, L.; Sondors, R.; Ramma, M. M.; Meija, R.; Niherysh, K.; Andzane, J.; Erts, D. ‘Dependence of Electrical Properties of Bismuth Selenide Nanowires on Temperature and Magnetic Field’.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Garu (līdz 50 mikrometru) Bi₂Se₃ nanovadu sintēze, izmantojot zelta katalizatoru.
• Turpinās sintezēto Bi₂Se₃ nanovadu sakārtošana gan ar dielektroforēzi, gan mehāniska pārnese uz elektrodu sistēmām.
• Litogrāfijas procesa optimizācija četrpunktu kontaktu izgatavošanai (metāla slāņa biezuma atrašana, kontakta ķīmiskā pirmsapstrāde).
• Turpinās lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi₂Se₃ nanolentās temperatūru diapazonā 2-20 K, kā arī šo datu analīze. Tiek veikti arī garenvirziena pretestības atkarības no magnētiskā lauka un deformācijas (liecot elektrostatiskajā laukā) mērījumi.
• Optimizēts ultraskaņas metināšanas process, lai samazinātu aizvara oksīda caursites risku.
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas izstrāde. Uz iespiedplates izveidotās shēmas testēšana temperatūrās līdz 3 K, izmantojot komerciālu kvarca kristāla rezonatoru (rezonanses frekvence 5 MHz).

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Bi₂Se₃ nanovadu sintēze ar zelta katalizatoru NEM slēdžu izgatavošanai.
• Litogrāfijas procesa optimizācija padziļinājumu izveidei (slapjās kodināšanas aizstāšana ar sauso kodināšanu, lai padziļinājumu padarītu stāvāku un mazinātu nanovadu pielipšanas risku).
• Turpināti lādiņnesēju transporta mērījumi individuālās Bi₂Se₃ nanolentās temperatūru diapazonā 2-20 K un lādiņnesēju transporta datu analīze. Turpināti eksperimenti, kuros nanolentas tiek deformētas ar elektrostatiskā lauka palīdzību.
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas pārbaude – atsevišķu nanovadu signāla mērījumi atkarībā no aizvara sprieguma un datu apstrāde.
• Publicēta publikācija starptautiski recenzētā žurnālā par uz atsevišķa Bi₂Se₃ nanovada balstīta slēdža darbības demonstrāciju kriogēnās temperatūrās, kā arī sniegtas divi mutiskie ziņojumi 80. Starptautiskajā Latvijas Universitātes zinātniskajā konferencē.

Publicitāte:

• Jasulaneca, L.; Meija, R.; Kauranens, E.; Sondors, R.; Andzane,, J.; Rimsa R.; Mozolevskis,G.; Erts, D. Cryogenic nanoelectromechanical switch enabled by Bi₂Se₃ nanoribbons. Materials Science and Engineering 2022 https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115510
• Dalība konferencē 80. Starptautiskajā Latvijas Universitātes zinātniskajā konferencē ar mutiskām prezentācijām (3.-4. februāris, tiešsaistē):
  • Sondors, R.;Kunakova, G.; Andzane, J.; Kauranens, E.; Jasulaneca, L.; Erts, D. ‘Physical vapor deposition synthesis of Bi₂Se₃ nanoribbons on thermally dewetted Au nanoparticles’.
  • Jasulaneca, L.; Andzane, J.;Dzene, E.;  Kauranens, E.; Prikulis, J.; Sondors, R.;Erts D. ‘Bottom-up synthesized Bi₂Se₃ nanoribbons for applications in nanoelectromechanical switches’.

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Turpināta NEM slēdžu izgatavošana ar mērķi palielināt funkcionējošo ierīču skaitu, kas sevī ietver Bi₂Se₃ nanovadu sintēzi, kā arī  elektrodu sistēmu izgatavošanu un sintezēto nanovadu sakārtošanu uz tām.
• Litogrāfijas procesa optimizācija augstākas precizitātes slāņu savietošanai.
• Izveidotajās ierīcēs veikti lādiņnesēju transporta mērījumi temperatūru diapazonā 2-20 K, un garenvirziena pretestības atkarības no magnētiskā lauka un deformācijas mērījumi un datu analīze.
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas optimizācija, lai mazinātu nanovadu degradācijas risku elektriskās izlādes rezultātā.
• Aizstāvēts bakalaura darbs par tēmu "Bi₂Se₃ nanovadu integrēšana nanoelektromehānskās ierīcēs un to raksturošana".

Pārskata periodā īstenotas šādas darbības:

• Litogrāfijas procesa optimizācija dažādu augstuma/platuma attiecību padziļinājumu izveidei.
• Lādiņnesēju transporta mērījumi izgatavotajās ierīcēs temperatūru diapazonā 2-300 K un lādiņnesēju transporta datu analīze.
• Holla efekta mērījumi atsevišķās Bi₂Se₃ nanolentās, datu apstrāde un analīze.
• Elektriskās atsevišķu nanovadu rezonanses detektēšanas shēmas pārbaude – atsevišķu nanovadu signāla mērījumi atkarībā no aizvara sprieguma un datu apstrāde.
• Prezentācijas konferencēs ar 2 stenda un 1 mutisko referātu un populārzinātniska projekta prezentēšana Zinātnieku naktī.

Publicitāte:

• Dalība konferencē FMNT&NIBS (3. – 6. jūlijā Rīgā) ar stenda referātu un mutisko ziņojumu:
  • Dzene, E.; Jasulaneca, L.; Sondors, R.; Erts, D. ‘Comparison of methods for integration of Bi₂Se₃ nanowires in NEM switches’, stenda referāts.
  • Jasulaneca, L.; Meija, R.; Kauranens, E.; Sondors, R.; Dzene, E.; Prirodins, M.; Erts, D. ‘Cryogenic temperature nanoelectromechanical switch’, mutiskā prezentācija.
• Dalība konferencē Advanced Materials and Technologies 2022 (22. – 26. augustā, Palangā, Lietuvā) ar stenda referātu:
  • Dzene, E.; Jasulaneca, L.; Sondors, R.; Kauranens, E.; Andzane, J.; Erts, D. ‘Integration of Bi₂Se₃ nanowires in nanoelectromechanical devices’.
• Dalība Zinātnieku nakts pasākumā 30. septembrī.