Fyzikální vlastnosti a příprava nanostruktur, povrchů a tenkých vrstev
Kód poskytovatele: AV0
Identifikační kód: Z10100521
Název výzkumného záměru: Fyzikální vlastnosti a příprava nanostruktur, povrchů a tenkých vrstev
Uchazeč: Fyzikální ústav AV ČR
Vykonavatel: Sekce fyziky pevných látek
Řešitel: RNDr. Jiří J. Mareš, CSc.
Popis výzkumného záměru
Vymezení předmětu výzkumné činnosti realizované ve výzkumném záměru Předkládaný výzkumný záměr orientuje hlavní činnost vykonavatele na badatelský výzkum nových forem pevných látek, jejichž vlastnosti či chování jsou rozhodující měrou určovány buď jejich povrchem anebo jejich nanometrickou či vrstevnatou, případně aperiodickou strukturou. Celosvětové trendy výzkumu takových materiálů jsou výrazně ovlivňovány nejen již úspěšnými nebo alespoň nadějnými praktickými aplikacemi, ale i škálou odhalovaných nových fyzikálních jevů. Pro výzkum těchto ”moderních” materiálů má pracoviště vytvořeny velmi vhodné výchozí podmínky, dané předchozím mnohaletým úspěšným experimentálním i teoretickým studiem polovodičů a magnetických materiálů. Řešení výzkumného záměru bude rovněž představovat účelné propojení pokročilých technologií pro přípravu zkoumaných materiálů, unikátních metod pro jejich experimentální studium v rozsáhlém oboru vnějších podmínek a teoretického zpracování dosažených poznatků pomocí mikrofyzikálních teoretických modelů i ab-initio výpočtů. Předmět výzkumné činnosti je zaměřen do tří tematických směrů I, II a III: I. Studium povrchů a růstu tenkých vrstev a nanostruktur především křemíku a diamantu, ale i scintilačních materiálů, určení jejich mikrostruktury s nanometrickým rozlišením a studium vlivu mikrostrukry na transportní a optické vlastnosti.
- Výzkum tenkých vrstev Si se zaměří na růst mikro(nano)-krystalického Si zejména při nízkých teplotách deposice, vytvoření prediktivního modelu a jeho využití k prověření možnosti realizace netradičních typů fotovoltaických článků, ale i na možnost využít těchto materiálů pro nanolitografii. Si nanostruktury, ať už připravené ve formě tenkých vrstev z nanočástic získaných fotochemickým leptáním či implantací Si iontů např. do Infrasilu, budou studovány se záměrem prověřit existenci optického zisku a následnou možnost přípravy Si laseru pro křemíkovou nanofotoniku.
- Významným předmětem studia budou povrchy polovodičů a na atomární úrovni jejich rekonstrukce a difuze adsorbovaných atomů. Bude použita STM mikroskopie, pozorované topografické útvary budou charakterizovány lokální hustotou elektronových stavů v reálném prostoru, která rozhodující měrou určuje budoucí aplikace v nanotechnologiích. STS spektroskopie umožní chemickou identifikaci pozorovaných objektů, které budou interpretovány modelovými i ab-initio výpočty v rámci DFT formalismu.
- Diamant bude připravován ve formě homoepitaxních a heteroepitaxních vrstev. Budou studovány strukturní, elektronové a spektroskopické vlastnosti v atomárním měřítku, provedena optická a elektrická charakterizace vrstev, spektroskopie defektů a příměsí v diamantových vrstvách včetně makroskopické charakterizace vzorků. Na bázi diamantových vrstev budou připravovány elektronické součástky ( např. detektory) a bioaktivní povrchy pro DNA biočipy, výhledově i biosenzory.
- Na vybraných scintilačních materiálech budou studovány procesy přenosu a záchytu energie, stabilita materiálů v podmínkách scintilační konverze a vliv materiálových defektů. Budou využity metody časově rozlišené spektroskopie a EPR, převážně na monokrystalech komplexních fluoridů a oxidů se širokým zakázaným pásem včetně modelování dynamiky excitovaných stavů luminiscenčních center.
II. Polovodičové struktury na bázi sloučenin AIIIBV, zejména výzkum nanostruktur, systémů se sníženou dimenzí a zředěných feromagnetických polovodičů. Výzkum bude zahrnovat:
- optimalizaci růstu struktur požadovaných parametrů připravených technologiemi MBE resp. MOVPE.
- experimentální studium elektrických, optických a magnetických vlastností vzorků, připravených z těchto struktur. U nanostruktur a nízkodimenzionálních systémů se bude jednat převážně o luminiscenční spektroskopii a elektronový transport resp. magnetotransport a cyklotronovou rezonanci, u feromagnetických polovodičů budou transportní měření doprovázena magnetooptickými experimenty a studiem magnetizace a magnetické susceptibility.
- ucelený kvantitativní teoretický popis pozorovaných jevů rámci kvantové elektrodynamiky. U feromagnetických polovodičů bude dále rozvíjena zavedená metodika, založená na modelu magnetické interakce mezi lokálními příměsovými spiny zprostředkované pohyblivými nosiči ve valenčním pásu polovodiče.
- výzkum nemagnetických nanostruktur bude orientován na potenciální budoucí aplikace v optoelektronice, zředěné feromagnetické polovodiče najdou uplatnění v tzv. spinové elektronice (spintronice). Zavedená metodika umožní kvantitativní modelování spintronických funkcí spojených s jevy jako je gigantická magnetorezistence, proudem indukovaná změna magnetizace, Kerrova a Faradayova rotace apod. Předběžné výzkumy ukazují, že v polovodičích tohoto typu mohou být tyto jevy i o několik řádů silnější než v klasických kovových feromagnetických materiálech.
III. Krystalová struktura, magnetické a transportní vlastnosti vybraných materiálů. Výzkum bude soustředěn na:
- Vrstevnaté, nanosegregované a speciální komplexní oxidy a intermetalické sloučeniny, které vykazují silnou odezvu na změny vnějších termodynamických podmínek budou zkoumány v kombinovaných extrémních podmínkách tj. za velmi nízkých a velmi vysokých teplot, vysokých vnějších tlaků a vysokých magnetických polí.
- V nanostrukturních supravodičích budou studovány experimentálně i teoreticky supravodivé víry, budou prováděny ab-initio i modelové výpočty elektronové struktury systému se silnou elektronovou korelací.
- Rozvoj metod výpočtů elektronových stavů z prvních principů založené na teorii funkcionálu spinové hustoty zejména metod vhodných pro systémyse se silnou korelací, kde dosavadní přístupy neposkytují uspokojivý souhlas mezi teorií a experimentem. Paralelně s elektronovou strukturou bude experimentálně i teoreticky zkoumána reálná struktura materiálů difrakčními a spektroskopickými metodami. Budou rozvíjeny metody pro popis rtg. absorpčních spekter (XANES) za účelem strukturní analýzy klastrů (velikost klastru vliv tvaru a povrchu klastru).
- Zobecnění nespojitých modulačních funkcí pro případy vykazující jednorozměrné modulace na dvou až třírozměrné modulace. Ukazuje se totiž, že vysoká symetrie některých látek následně vede ke vzniku několika modulačních vektorů.
- Zavedení obecného multifázového popisu pro analýzu struktur materiálů složených z více fází.
Výzkumná činnost na uvedených materiálech prováděná na atomární úrovni umožní spolu s teoretickými modely a výpočty nejen analýzu a intepretaci experimentálních dat, ale také predikci fyzikálních vlastností studovaných systémů. Nové možnosti pro fyziku pevných látek se otevřou uvedením do plného provozu České měřící stanice na synchrotronu Elettra v Terstu.
