Projekt megnevezése: Új félvezető anyagok
Támogató: Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal
Kedvezményezett: Energiatudományi Kutatóközpont
Projekt azonosító: TKP2021-NKTA-05
Témavezető: Dr. Pécz Béla
A projekt támogatásának összege: 547 249 513Ft
Támogatásintenzitás: 100%
Futamidő: 2022.01.01-2025.12.31
Az oldal frissítve: 2023.05.03-án
A projekt céljai:
A félvezető anyagok alapvető fontosságúak az ipar és digitalizáció számos területén. A digitális elektronikai eszközök, a hatékony fényforrások (LED), valamint az érzékelők széles skálája félvezető eszközökre épül. Ezen területeken jelenthet előrelépést az új félvezető anyagok kutatása, amelyek hosszabb távon lehetővé teszik hatékonyabb, gyorsabb, kisebb energiaigényű félvezető eszközök kifejlesztését.
Konkrét kutatási tervek:
2D-MoS2 növesztése mind CVD (Chemical Vapour Deposition), mind ALD (Atomic Layer Deposition) módszerrel. Korábban megmutattuk, hogy a MoS2 kristályok elektromos tulajdonságai precízen hangolhatók az atomrétegek számával és erősen függenek a kristályhibáktól. Ezért elengedhetetlen az így növesztett ultravékony rétegek szerkezeti, optikai és elektromos jellemzése STM-mel, RAMAN spektroszkópiával, TEM-mel, XPS-el. Növesztések egykristály félvezetőkön (SiC és GaN). Vékony Mo réteg párologtatása és utólagos hőkezelése magas hőmérsékleten inert atmoszférában kéngőzben. Más szulfidokkal való kombináció, pl. Nb alkalmazása.
2D-MoS2 felhasználása a katalízisben és energia témakörben
A 2D félvezető kristályok egyik új és nagyon ígéretes alkalmazási területe a 2D anyagokra épülő nanoszerkezetű katalizátorok. Az EK-MFA Nanoszerkezetek laboratóriumában elsőként mutatták meg, hogy a 2D MOS2 kristályok katalitikus aktivitása jelentősen megnövelhető, ha szerkezetét atomi szinten módosítjuk, pl. a kristály egyes kénatomjainak oxigén atomra cserélével. Az eredményeik a rangos Nature Chemistry folyóiratban jelentek meg. Ez a kutatás-fejlesztési irány olcsó és hatékony katalizátorok kifejlesztését teszi lehetővé, például hidrogéntermeléshez. Célkitűzésünk, hogy áttörő eredményeket érjünk el a 2D kristályokra épülő katalizátorok aktivitásában szerkezetük nanométeres skálájú módosításával.
Új kvantum anyagok irányított létrehozása 2D kristályok heterostruktúráiban
A 2D kristályokból atomi rétegenként felépített 2D kvantum anyagok (mesterséges kristályok) olyan új anyagcsaládot képeznek, amely szerkezetét más anyagok esetében elképzelhetetlen mértékben tudjuk kontrollálni, az őket felépítő 2D kristályok összetétele, kristályrácsa, a rétegek relatív elforgatási szöge, valamint elektrosztatikus tér és mechanikai feszültség segítségével. A 2D heteroszerkezetekben létrejövő új fizikai jelenségek megfigyelése és értelmezése lehetővé teszi tervezett elektromos, optikai vagy mágneses tulajdonságokkal rendelkező új anyagok célzott előállítását. Továbbá olyan új anyagokat hozunk létre, amelyek sávszerkezete nem triviális topológiai tulajdonságokat mutat. Ilyenek a toplogikus szigetelők, melyek az anyag belsejében szigetelő viselkedést mutatnak, ám a felületen vagy az éleken olyan elektron állapotok alakulnak ki, hogy gyakorlatilag ellenállás nélkül képesek az elektromos vezetésre. Ilyen anyagok különösen alkalmasak kis fogyasztású energia hatékony elektronikai eszközök előállítására.
2D nitrid anyagok szintézise, jellemzése a grafén és a SiC közti bezárt térben
Korábbi kísérleteinkben sikeresen hoztunk létre két atomi rétegből álló InN félvezető réteget a SiC és az epitaxiás grafén közti térben (Adv. Mater. 2021, 33, 2006660). A létrejött réteg tiltott sávszélessége 2 eV-nak bizonyult, azaz lényegesen magasabb, mint a tömbi InN 0,7 eV-os értéke.
Nyitni kívánunk új anyagok szintetizálására is, mint a 2D GaN, valamint 2D GaBi és InBi rétegeket, topologikus szigetelőket hozunk létre.
Új típusú félvezető és fém-félvezető hibrid nanorészecskék, valamint belőlük felépített magasabb rendű struktúrák előállítása, tulajdonságaik vizsgálata, illetve foto(elektro)kémiai és katalitikus folyamatokban történő felhasználása. Kvantumbezárt nanorészecskék, 1D, 2D és 3D félvezető nanokristályok, hibrid nanorészecskék valamint ezek szuperstruktúráinak előállítása. Az oldatfázisban előállított félvezető és fémes-félvezető hibrid részecskék nagyfokú kristálytani és morfológiai kontroll mellett állíthatók elő és felhasználhatók a sejtes nyomjelzéstől a fotokatalitikus tulajdonságokkal rendelkező makrostruktúrákig. A nanorészecskék hierarchikus szerkezetekbe rendezéséhez a köztük ható kolloidkémiai kölcsönhatások, illetve a részecskék templátanyagra történő leválasztása vezet. Utóbbihoz különböző lepkefajok szárnyai szolgálnak alapul. Az evolúció során tökéletesített hierarchikus nanoszerkezetek felhasználhatók a fotokatalitikus tulajdonság erősítésére. Célunk a kémiai és fizikai úton létrehozott szerkezeteken felül a természetes eredetű, biológiai fotonikus nanoarchitektúrák alkalmazása leválasztott nanoszemcsék/nanorészecskék hordozójaként. Ezen szerkezetek kiaknázása fotokatalitikus modellreakciókban. A fotonikus nanoarchitektúrákban fellépő ún. „lassú fény” jelenség vizsgálata, a fotonikus tiltott sáv, Bragg interferencia és szóródás együttes hatásából adódó fénybezártság (lassú fény terjedés) kihasználása a fotokatalitikus hatás erősítésére.
2023.04 – Az 1. mérföldkő ereményei
A félvezető anyagok alapvető fontosságúak az ipar és digitalizáció számos területén. A digitális elektronikai eszközök, a hatékony fényforrások (LED), valamint az érzékelők széles skálája félvezető eszközökre épül. Olyan újszerű 2D és 3D nanoszerkezeteket hoztunk létre, melyek kis energia fogyasztású félvezető eszközökben hasznosíthatóak. Pl. sikerült egy egyszerű módszerrel MoS2 réteget szintetizálni SiC félvezető hordozón és abban erősítésre alkalmas Esaki dióda jelleg volt megfigyelhető. Közelebb kerültünk ahhoz, hogy adott tulajdonságú 2D anyagokat egymásra helyezve tervezhető tulajdonságokat kapjunk. Előrébb jutottunk a hidrogén vízből való előállításának katalízisében amely a hidrogén valóban zöld előállítását ígéri. A részletes időszaki eredményeket és publikációkat a mellékelt dokumentumban olvashatja.