Příprava a charakterizace nanomateriálů

Zaměření

Výzkumný tým se zaměřuje na studium elektronických a optických jevů na povrchu a rozhraní nanomateriálů vyvolané dopadem fotonů, iontů, elektronů a adsorbcí plynů za účelem jejich využití pro senzorické aplikace, jako zdrojů světelného záření a pro vylepšení nanodiagnostických schopností analytických metod.

Současná náplň práce:

Transportní jevy na rozhraní kov-polovodič

Schottkyho kontakt je jednou z klíčových struktur v polovodičových součástkách. Mechanismus formování Schottkyho kontaktu na sloučeninových polovodičích je předmětem dlouhodobého studia. Vysoká hustota povrchových stavů a nestechiometrických defektů ve sloučeninových polovodičích znesnadňuje přípravu Schottkyho diod vysoké kvality a značně omezuje aplikační potenciál těchto materiálů.

Vyvíjíme nové technologie přípravy teplotně stabilních Schottkyho diod a to depozicí koloidního grafitu a elektroforetickou depozicí kovových nanočástic (NC). Zaměřujeme se na teoretickou a experimentální analýzu struktur grafit/polovodič a kovové nanočástice/polovodič.

Obrázek 1: (a) SEM snímky grafitového kontaktu deponovaného na polovodičový substrát; (b) Řez Schottkyho diodou grafit/polovodič; (c) Ramanovo spektrum vrstvy grafitu; (d) Srovnání výsledků výpočtu (plné čáry) s I-V charakteristikami diod grafit/CdMnTe měřenými při různých teplotách (kroužky).

Obrázek 2: (a) Sestava pro elektroforetickou depozici; (b) Schématický řez Schottkyho diodou Pt NC/InP; (c) I-V charakteristiky přechodu Pt NČ/n-InP v semilogaritmickém systému os. Vložený obrázek ukazuje teplotní závislost usměrňovacího poměru při napětí 1 V.

Relevantní publikace:

1. Kosyachenko, L. A.; Yatskiv, R.; Yurtsenyuk, N. S.; Maslyanchuk, O. L.; Grym, J., Graphite/CdMnTe Schottky diodes and their electrical characteristics. Semicond Sci Tech 2014, 29 (1), 015006.
2. Yatskiv, R.; Grym, J., Thermal stability study of semimetal graphite n-InP and n-GaN Schottky diodes. Semicond Sci Tech 2013, 28 (5), 055009.
3. Yatskiv, R.; Grym, J., Temperature-dependent properties of semimetal graphite-ZnO Schottky diodes. Appl Phys Lett 2012, 101 (16), 162106.
4. Yatskiv, R.; Grym, J.; Brus, V. V.; Cernohorsky, O.; Maryanchuk, P. D.; Bazioti, C.; Dimitrakopulos, G. P.; Komninou, P., Transport properties of metal–semiconductor junctions on n-type InP prepared by electrophoretic deposition of Pt nanoparticles. Semicond Sci Tech 2014, 29 (4), 045017.

Senzory vodíku na bázi Schottkyho bariéry

Vodík je dnes široce využíván v lékařství, chemickém či automobilovém průmyslu a je vnímán jako palivo budoucnosti s potenciálem nahradit fosilní zdroje. Jedná se však o vysoce těkavý, extrémně hořlavý plyn a jeho únik může způsobit výbuch. Z těchto důvodů je vývoj senzorů vodíku s vysokou citlivostí, krátkou dobou odezvy, malými rozměry a nízkými výrobními náklady v popředí zájmu.

Vyvíjíme senzory vodíku, jejichž základ tvoří Schottkyho diody připravené depozicí grafitu funkcionalizovaného nanočásticemi katalytických kovů (Pd, Pt) na povrch polovodiče. Tyto senzory jsou schopny detekovat vodík v nízkých koncentracích do 1 ppm.

Obrázek 3: Schématický řez  Schottkyho diodami (a) Pt NČ/InP a (c) grafit-Pt NČ/InP;  SEM snímky (b) tlusté vrstvy a (d) submonovrstvy Pt NČ elektroforeticky deponovaných na polovodičový substrát; (e) časová závislost proudu Schottkyho diodami Pt NČ/InP and Pt NČ/InP při expozici vodíkem.

Relevantní publikace:

1. Grym, J.; Yatskiv, R., Schottky barriers based on metal nanoparticles deposited on InP epitaxial layers. Semicond Sci Tech 2013, 28 (4), 045006.
2. Yatskiv, R.; Grym, J.; Zdansky, K.; Piksova, K., Semimetal graphite/ZnO Schottky diodes and their use for hydrogen sensing. Carbon 2012, 50 (10), 3928-3933.
3. Zdansky, K.; Yatskiv, R., Schottky barriers on InP and GaN made by deposition of colloidal graphite and Pd, Pt or bimetal Pd/Pt nanoparticles for H-2-gas detection. Sensor Actuat B-Chem 2012, 165 (1), 104-109.
4. Grym, J.; Prochazkova, O.; Yatskiv, R.; Piksova, K., Hydrogen sensors based on electrophoretically deposited Pd nanoparticles onto InP. Nanoscale Res Lett 2011, 6.

Příprava a charakterizace jednodimenzionálních nanostruktur ZnO

Nízkodimenzionální polovodičové struktury jsou intenzivně studovány pro budoucí elektronické a fotonické aplikace. Jedním z klíčových problémů v těchto součástkách je pochopení a kontrola transportu náboje na rozhraní kov/polovodičová nanostruktura. Cílem je popsat základní jevy odehrávající se při transportu náboje Schottkyho bariérami připravenými na jednodimenzionálních nanostrukturách ZnO. Vertikální pole nanotyčinek (NT) a nanodrátů (ND) ZnO jsou charakterizována sadou diagnostických metod za účelem získání zpětné vazby pro modifikaci technologie pro uzpůsobení jejich morfologie a elektrických, optických a strukturních vlastností. Schottkyho kontakty na jednotlivé NT a ND a jejich pole jsou vytvářeny vakuovým napařováním kovů, depozicí koloidního grafitu, elektronovou litografií, depozicí indukovanou fokusovaným elektronovým/iontovým svazkem a hrotem mikroskopu atomárních sil nebo nanomanipulátoru v rastrovacím elektronovém mikroskopu.

Obrázek 4: Heteropřechod grafit/NT ZnO: (a) Schématický diagram; (b) SEM snímek NT pořízený shora; (c) SEM snímek NT pořízený s náklonem  55°; (e) I-V křivky při různých teplotách ukazující na usměrňující charakter heteropřechodu.

Relevantní publikace:

1. R. Yatskiv, V.V. Brus, M. Verde, J.Grym, P. Gladkov: Electrical and optical properties of graphite/ZnO nanorods heterojunctions. Carbon 2014, 77, 1011-1019.

Interakce iontů s povrchy pevných látek

Iontové svazky jsou využívány jak pro vytváření nanostruktur tak pro chemickou analýzu povrchu. Studujeme fyzikálně-chemické procesy při bombardování povrchů pevných látek ionty: odprašování, implantaci, ionizaci, vytváření nanostruktur. Ovlivňujeme výtěžky odprašovaných iontů připouštěním reaktivních plynů, např. kyslíku. Porozumění  těmto jevům je důležité pro správnou interpretaci mikroskopických obrazů FIB a SIMS, pro zlepšování analytických parametrů metody SIMS nebo její moderní varianty FIB SIMS a pro vývoj iontově-indukovaného vytváření nanostruktur.

Relevantní publikace:

1. P. Williams, K. Franzreb, R. C. Sobers Jr, and J. Lorincik, “On the effect of oxygen flooding on the detection of noble gas ions in a SIMS instrument”, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. B 268 (2010) 2758 – 2765.
2. Z. Sroubek, J. Lorincik, "Kinetic electron emission from metal surfaces induced by impact of slow ions," Surf. Sci. 625 (2014) 7–9. 
3. P. Karmakar, G. F. Liu, Z. Sroubek, J. A. Yarmoff, Ion beam induced formation and interrogation of Au nanoclusters, Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 215502   

Charakterizace nanomateriálů

Na charakterizaci studovaných materiálů máme k dispozici širokou paletu metod - SEM, FIB, SIMS, EDX, AFM, STM, BEEM/BEES, Ramanova spektroskopie, optická mikroskopie, fotoluminiscence, katodoluminiscence, přičemž tři z nich (BEEM/BEES, nízkoteplotní fotoluminiscence, FIB SIMS) sami vyvíjíme nebo zdokonalujeme. Navíc ve spolupráci s ostatními týmy ÚFE a AVČR navrhujeme analytické postupy na analýzu optických vláken, speciálních skel a polovodičových struktur.

Relevantní publikace:

1. J. Lorinčík, I. Kašík, J. Vaniš, L. Sedláček, J. Dluhoš, „Imaging of Dopant Distribution in Optical Fibers with an Orthogonal TOF SIMS", Surf. Interface Anal. (2014), in print, DOI: 10.1002/sia.5536
2. J. Walachova, J. Zelinka, V. Malina, J. Vanis, F. Sroubek, J. Pangrac, K. Melichar, E. Hulicius, Ballistic electron emission spectroscopy/microscopy of self-assembled InAs quantum dots of different sizes embedded in GaAs/AlGaAs heterostructure, Appl. Phys. Lett. 92 (2008) 109904 
3. P. Gladkov, E. Hulicius, T. Paskova, E. Preble, K. R. Evans, Below band-gap optical absorption and photoluminescence excitation spectroscopy at room temperature in low-defect-density bulk GaN:Fe, Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 031908