Projekts Nr. 1.1.1.1/18/A/073
Projekta ilgums: 01.03.2019. – 28.02.2022.
Projekta zinātniskais vadītājs: Dr.hab.phys. Juris Purāns
Projekta īstenotāji: Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts sadarbībā SIA “Sidrabe Vakuum”
2019.gada 15.martā Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI) un Centrālā finanšu līgumu aģentūra parakstīja vienošanos par Eiropas Savienības fonda projekta “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas ” (Projekts) īstenošanu.
Projekta mērķis ir izstrādāt jaunus reaktīvas augsti jonizētas impulsu magnetronu izsmidzināšanas (HiPIMS) tehnoloģijas, lai izgatavotu viedos pārejas metālu oksīdu daudzslāņu nanopārklājumus caurspīdīgās elektronikas (TCO) un elektrohromo (EH) materiālu pielietojumiem, lai atīstītu “roll-to-roll” reaktīvo R-HiPIMS tehnoloģiju.
Projekta kopējās attiecināmās izmaksas: 648 750,00 EUR, t.sk., Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējums ir 374 919,00 EUR.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.01.2022.- 28.02.2022.)
17.03.2022.
Projekts Nr. 1.1.1.1/18/A/073 ir īstenots, sadarbojoties Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtam (LU CFI, Plāno kārtiņu laboratorijā (TFL)) un vakuumpārklājumu MVU uzņēmumam SIA Sidrabe Vacuum. Projekts ir saistīts ar nesaimniecisku darbību un apvieno fundamentālos un rūpnieciskos pētījumus. Kopējās izmaksas ir 648 750 EUR ar 600 000 EUR (92,5%) ES ieguldījumu. Projekta ilgums 36 mēneši (01.03.2020-28.02.2022).
Šī rūpnieciskā izpētes projekta mērķis bija izstrādāt progresīvas reaktīvās lieljaudas impulsu magnetronās izputināšanas (R-HiPIMS) tehnoloģijas ar mērķi izgatavot funkcionālus pārejas metālu oksīda (TMO) daudzslāņu pārklājumus elektrohromiem un caurspīdīgās elektronikas pielietojumiem. Mēs ierosinājām izgatavot un izpētīt funkcionālos TMO daudzslāņu un to kombināciju ar caurspīdīgiem vadošiem oksīdiem kā jaunus bifunkcionālus pārklājumus. Šis starpdisciplinārais projekts sastāv no pētniecības aktivitātēm Fizikas un Ķmijas zinātnēs (1.3., 1.4.) un Materiālu inženierijā (2.5.).
Projekta produkti:
• Jauna R-HiPIMS tehnoloģija funkcionālu TMO plāno kārtiņu un daudzslāņu uzklāšanai uz elastīgas pamatnes ar procesa mērogojamības iespēju (Iesniegti 4 patenti: (EU) - EP20020352.9, (LV) -LVP2020000040, (EU) - EP21208104.6 , (LV) - LVP2021000084, un sagatavots roll-to-roll procesa tehnoloģiskais apraksts);
• Jaunas ReO3, ReO3-WO3, ReO3/WO3, WO3/Cu/WO3 un Zn-Ir-O plānās kārtiņas ar uzlabotām elektriskajām un optiskajām īpašībām. Lokālās elektroniskās un atomārās struktūras apraksts saistībā ar to fizikāli ķīmiskajām īpašībām, izmantojot vismodernāko XAFS analīzi. TMO atomārās struktūras, izmantojot datormodelēšanu no pirmajiem principiem. Oriģinālie zinātniskie raksti, kas publicēti Web of Science vai SCOPUS (A vai B) datubāzēs iekļautajos žurnālos vai konferenču materiālos – 15 (14 publicēti un 1 iesniegts) zinātniskās publikācijas.
Projekts sniedz lielu ieguldījumu progresīvu materiālu izpētē, kas paredzēti optoelektronikās ierīcēs uz metāla oksīdu bāzes. Šīm ierīcēm saskaņā ar Starptautisko pusvadītāju tehnoloģiju ceļa karti (ITRS2.0) ir globāla ietekme, nodrošinot Latvijas zinātnes un rūpniecības konkurētspēju starptautiskā līmenī. Papildus ietekmei uz tirgu pastāv zinātniski ieguvumi. Tos rada starpdisciplināras pieejas izmantošana, kas apvieno progresīvās plazmas R-HiPIMS tehnoloģijas (2.5. Materiālu inženierija) ar teorētiskajiem kvantu ķīmijas aprēķiniem, kā arī paraugu eksperimentālo raksturošanu, izmantojot fizikāli ķīmiskās metodes (1.3. Fizikas zinātne; 1.4. Ķīmijas zinātne). Izpēte koncentrējās uz TMO un heterostruktūru datormodelēšanu no pirmajiem principiem, kā arī uz jaunākajām sinhrotronu metodēm.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.10.2021.- 31.12.2021.)
11.01.2022.
Raksts ar nosaukumu Reactive HiPIMS deposition process of ReOx (x = 1.6–2.9) thin films ir iesniegts žurnālā Materials Chemistry and Physics (IF=4.1). Veikti atkārtoti XRD mērījumi, lai noteiktu pārklāumu stabilitāti apkārtējās vides apstākļos. Pirms raksta publicēšanas veikti padziļināti XPS mērījumi un analīze, atklājot dažādas oksidācijas pakāpes Re jonus uz kārtiņu virsmas (aktivitāte 1).
Tika veikti lielapjoma un (001) virsmas F-centra ab initio aprēķini ABO3 perovskītiem to augstas simetrijas kubiskajā fāzē - SrZrO3, PbTiO3, BaTiO3 un SrTiO3 perovskītiem, kā arī SrF2, BaF2 un CaF2 fluorītiem, izmantojot datorprogrammu paketi CRYSTAL. Rezultāti dod iespēju ziņot par ab initio aprēķinu rezultātiem, kas attiecas uz F-centriem SrZrO3, PbTiO3, BaTiO3 un SrTiO3 matricās, kā arī SrF2, BaF2 un CaF2 fluorītiem. Rezultātā tika sagatavots un iesniegts raksts "Tendencies in ABO3 perovskite as well as SrF2, BaF2 and CaF2 bulk and surface F-center ab initio computations at high symmetry cubic structure", Roberts I. Eglitis, Juris Purans, Anatoli I. Popov, Ran Jia zinātnskajā žurnālā Symmetry (aktivitāte 3).
Pieņemts publicēšanai raksts “Unraveling the Structure and Properties of Layered and Mixed ReO3-WO3 Thin Films Deponed by Reactive DC Magnetron Sputtering”, autori Boriss Poļakovs, Edgars Butanovs, Andrejs Ogurcovs, Anatolijs Sarakovskis, Mārtiņš Zubkins, Līga Bikše, Jevgeņijs Gabrejus, Aleksejs Voklas Kuzmins un Juris Purāns žurnālā ACS Omega (IF= 3.5, Q1, 70 procentiļu līmenis Chemical Engineering nozarē) (aktivitāte 4).
Šajā pētījumā tika izstrādāta jauna metode slāņainu ReO3/WO3 un jauktu ReO3-WO3 plānu kārtiņu ražošanai, izmantojot reaktīvo līdzstrāvas magnetronu izsmidzināšanu un sekojošu plēves atsaldēšanu gaisā. Tika pētīta ar vairākām metodēm iegūto plēvju kristāliskā struktūra, to optiskās un elektriskās īpašības, kā arī ierosināta of ReO3-WO3 cieto šķīdumu veidošanās. Papildus tika arī veikti blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) pirmo principu aprēķini atsevišķām cieto šķīdumu kompozīcijām, lai modelētu to strukturālās un elektroniskās īpašības. Mūsu darbs būtiski papildina iepriekšējos pētījumus par ReO3-WO3 cieto šķīdumu plānām kārtiņām un stimulēs turpmākos pētījumus par plēvju praktisko pielietojumu, piemēram, elektro- un fotokatalīzi (aktivitāte 4).
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.07.2021.- 30.09.2021.)
06.10.2021.
Pārskata periodā rezultāti par ReOx kārtiņu izgatavošanu ar reaktīvo HiPIMS ir prezentēti starptautiskā konferencē “11th International Conference on HIPIMS”, un ir sagatavota publikācija ar nosaukumu “Reactive HiPIMS deposition process of ReOx thin films” iesniegšanai zinātniskā žurnālā (aktivitāte 1).
Ņemot vēra dažādu virsmu sistemātisko tendeču analīzi tika publicēts zinātniskais raksts “Comparative hybrid Hartree-Fock-DFT calculations 2 of WO2-terminated cubic WO3 as well as SrTiO3, 3 BaTiO3, PbTiO3 and CaTiO3 (001) surfaces” (aktivitāte 3) žurnālā Crystals, kura citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa.
Veicot hibrīda blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) aprēķinus un rentgenstaru absorbcijas spektroskopijas (XAS) eksperimentus tika veikti lokālo atomu struktūru ap Ir joniem ZnO plāno kārtiņu pētījumi, kuru rezultāti tika izmantoti materiālu termoelektrisko īpašību pirmo principu analīzē. Tika nopublicēts zinātnisks raksts “The local atomic structure and thermoelectric properties of Ir-doped ZnO: hybrid DFT calculations and XAS experiments” (aktivitāte 3) žurnālā Journal of Materials Chemistry C un tiek gatavota pieeja rakstam Open Access formā.
Veikts pētījums, kurā izstrādāta jauna metode slāņainu ReO3/WO3 un jauktu ReO3-WO3 plāno kārtiņu uzklāšanai, izmantojot reaktīvo līdzstrāvas magnetrono izputināšanu un sekojošu kārtiņas izkarsēšanu gaisā. Iegūto kārtiņu kristāliskā struktūra, to optiskās un elektriskās īpašības tika pētītas ar vairākām metodēm, kas norāda uz iespējamu ReO3-WO3 cietā šķīduma veidošanos. Turklāt tika veikti pirmo principu blīvuma funkcionāļa teorijas (DFT) aprēķini izvēlētām cieto šķīdumu kompozīcijām, lai modelētu to strukturālās un elektroniskās īpašības. Mūsu teorētiskās prognozes kvalitatīvi sakrīt ar eksperimentālajiem rezultātiem. Publikācija ar nosaukumu "Unraveling the Structure and Properties of Layered and Mixed ReO3-WO3 Thin Films Deposited by Reactive DC Magnetron Sputtering" tika iesniegta ACS Omega žurnālam (aktivitāte 4).
Tika turpināta ReO3-WO3 plāno kārtiņu paraugu uz kvarca izgatavošana un raksturošana.
Raksti:
1. Comparative Hybrid Hartree-Fock-DFT Calculations of WO2-Terminated Cubic WO3 as Well as SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 and CaTiO3 (001) Surfaces
R.I.Eglitis, Juris Purans and Ran Jia
Crystals 2021, 11(4), 455;
DOI: https://doi.org/10.3390/cryst11040455
2. The local atomic structure and thermoelectric properties of Ir-doped ZnO: hybrid DFT calculations and XAS experiments
Andrei Chesnokov, Denis Gryaznov, Natalia V. Skorodumova, Eugene A. Kotomin, Andrea Zitolo, Martins Zubkins, Alexei Kuzmin, Andris Anspoks and Juris Purans
Journal of Materials Chemistry C, 2021,9, 4948-4960
DOI: https://doi.org/10.1039/D1TC00223F
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.04.2021. - 30.06.2021.)
23.07.2021.
Projekta ietvaros tika veikta jaunu TMO/Me/TMO paraugu sagatavošana un pārklājumu procesa parametru optimizēšana (aktivitāte 1).
Sagatavošanas procesā ir arī zinātniskā publikācija “Reactive HiPIMS deposition process of ReOx thin films” (aktivitāte 1), kas iekļauj visus iegūtos rezultātus no reaktīvā HiPIMS procesa izpētes, izmantojot Re mērķi, un ReOx plāno kārtiņu raksturošanas. Publikācijā tiek detalizēti aprakstītas impulsu strāvas profilu un plazmas optiskās emisijas spektru (OES) izmaiņas atkarībā no procesa parametriem. Papildus tiek sniegts visaptverošs kārtiņu struktūras, sastāva un fizikālo īpašību apraksts.
Tika veikti pirmo principu aprēķini WO2-terminētām kubveida WO3 (001) virsmu un analizētas sistemātiskās tendences dažādām virsmām. Rezultātā tika publicēts zinātniskais raksts “Comparative hybrid Hartree-Fock-DFT calculations 2 of WO2-terminated cubic WO3 as well as SrTiO3, 3 BaTiO3, PbTiO3 and CaTiO3 (001) surfaces” (aktivitāte 3).
Tika veikti lokālo atomu struktūru ap Ir joniem ZnO plānās plēvēs pētījumi ar atšķirīgu iridija saturu, apvienojot hibrīda blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) aprēķinus un rentgenstaru absorbcijas spektroskopijas (XAS) eksperimentus. Rezultāti tika izmantoti materiālu termoelektrisko īpašību pirmo principu analīzē. Pētījumi ļāva apskatīt aprēķināto Zēbeka koeficienta atkarību jūtību pret atomu un elektronisko struktūru. Rezultātā tika nopublicēts zinātnisks raksts “The local atomic structure and thermoelectric properties of Ir-doped ZnO: hybrid DFT calculations and XAS experiments” (aktivitāte 3).
Attīstīta un pilnveidota ReO3 un WO3 plānās kārtiņas uzklāšanas tehnoloģija uz reaktīvās magnetronu izsmidzināšanas un termiskas atkvēlināšanas bāzes.
Tika turpināta ReO3-WO3 plāno kārtiņu paraugu uz kvarca izgatavošana un raksturošana.
Sagatavošanas procesā ir raksts saistībā ar eksperimentiem ar cinka-irīdija oksīda (Zn-Ir-O) plāno kārtiņu kā p-veida vadošu materiālu dažādos apstākļos (aktivitāte 4).
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.01.2021. - 31.03.2021.)
10.04.2021
Pašlaik tiek gatavota zinātniska publikācija ar nosaukumu “Reactive HiPIMS deposition process of ReOx thin films” (aktivitāte 1), kas iekļauj visus iegūtos rezultātus no reaktīvā HiPIMS procesa izpētes, izmantojot Re mērķi, un ReOx plāno kārtiņu raksturošanas. Publikācijā tiek detalizēti aprakstītas impulsu strāvas profilu un plazmas optiskās emisijas spektru (OES) izmaiņas atkarībā no procesa parametriem. Papildus tiek sniegts visaptverošs kārtiņu struktūras, sastāva un fizikālo īpašību apraksts.
Tika veikta CdTe un CdO nanokristālu formēšana a-SiO2/n-Si jonu kanālu veidnēs (ion track templates) izmantojot elektroķīmiskās un ķīmiskās uzklāšanas metodes un iegūto radīto sistēmu īpašību pētījumi, kā rezultātā tika publicēts zinatniskais pētījums “Ion track template technology for fabrication of CdTe and CdO nanocrystals”
Tika veikts pētījums, kurā tika apvienoti hibrīda blīvuma funkcionālās teorijas (DFT) aprēķini un rentgenstaru absorbcijas spektroskopijas (XAS) eksperimenti ar dažādiem parametriem un tie izmantoti ZnO materiāla termoelektrisko īpašību pirmo principu analīzē. Rezultātā tika iesniegta un pozitīvi norecenzēta zinātniskā publikācija "The local atomic structure and thermoelectric properties of Ir-doped ZnO: hybrid DFT calculations and XAS experiments" (aktivitāte 3). Tiek gatavota gala redakcija (aktivitāte 3).
Ir iesniegts un pieņemts publicēšanai raksts “Comparative hybrid Hartree-Fock-DFT calculations 2 of WO2-terminated cubic WO3 as well as SrTiO3, 3 BaTiO3, PbTiO3 and CaTiO3 (001) surfaces” (DOI: 10.1016/j.nimb.2020.08.009), kas ir balstīts uz pirmo principu aprēķiniem dažādām virsmām.
EXAFS eksperimenti tika veikti arī ar amorfu ReO3, un pašlaik notiek publikācijas sagatavošana (aktivitāte 4). Sagatavoti vēl divi raksti. Viens ir saistīts ar eksperimentiem ar cinka-irīdija oksīda (Zn-Ir-O) plāno kārtiņu kā p-veida vadošu materiālu dažādos apstākļos, koncentrējoties uz Zn-Ir-O plāno kārtiņu struktūru un elektriskajām īpašībām lielā Ir koncentrācijas diapazonā (aktivitāte 4). Turklāt tika izmantotas divas dažādas substrāta temperatūras - bez tīšas sildīšanas un pie 300 OC. Otrais raksts ir saistīts ar pētījumiem, kas veikti ar nanokristālisko cinka peroksīdu (nano-ZnO2), koncentrējoties uz tā struktūru, optiskajām un vibrācijas īpašībām (4. darbība). Nanokristāliskais cinka peroksīds tika sintezēts hidrotermālā procesā un vispusīgi pētīts, izmantojot vairākas eksperimentālās metodes.
PUBLIKĀCIJAS:
1. A. Chesnokov, D. Gryaznov, N. V. Skorodumova, E. A. Kotomin, A. Zitolo, M. Zubkins, A. Kuzmin, A. Anspoks, J. Purans.
The local atomic structure and thermoelectric properties of Ir-doped ZnO: hybrid DFT calculations and XAS experiments.
2. ERAF-HIPIMS A.Popov Aktiv 3 : Nopublicēta WoS, Scopus (100%). Kvalificējas 52% >virs 50%.
A. Akilbekov, R. Balakhayeva, M. Zdorovets, Z. Baymukhanov, F.F. Komarov, K. Karim, A.I. Popov, A. Dauletbekova.
Ion track template technology for fabrication of CdTe and CdO nanocrystals.
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 2020, 481, pp. 30–34.
DOI: 10.1016/j.nimb.2020.08.009
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.10.2020. - 31.12.2020.)
10.01.2021.
Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” tika izgatavotas rēnija oksīda plānās kārtiņas izmantojot reaktīvo augstas jaudas impulsu magnetrono izputināšanu (R-HiPIMS) (aktivitāte 1). Tās tika izveidotas uz kvarca pamatnēm variējot izgatavošanas parametrus – pamatnes temperatūru un izgatavošanas procesa gāzu sastāvu. Kārtiņām tika veikta virsmas morfoloģijas izpēte ar augstas izšķirtspējas elektronu mikroskopiju un tā demonstrēta pie dažādām pamatnes temperatūrām un pēcapstrādes (atkvēlināšana). Atkarībā no izgatavošanas apstākļiem tika detektēta gan kristāliska, gan amorfa struktūra. Papildus tika veikti kārtiņu sastāva (XPS), redzamā un tuvā infrasarkanā starojuma absorbcijas, un elektriskās vadītspējas mērījumi (aktivitāte 4).
Tika veikta (aktivitāte 3) rēnija oksīdu (ReO2-šķeltas ReO3) virsmām pirmo principu aprēķinu salīdzināšana, kā arī aprēķini citu veidu (TiO2 –šķeltas SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 un CaTiO3) virsmām. Pirmo principu aprēķini uzrādīja sistemātisku tendenci virsmu ReO2-šķeltas ReO3, kā arī TiO -šķeltas SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 un CaTiO3 augšējo slāņu atomu relaksācijai uz iekšu un visu otrā slāņa atomu relaksācija uz āru. Vienīgie divi izņēmumi no šīs sistemātiskās tendences ir pirmā slāņa O atoma relaksācija uz iekšu TiO2-šķeltas PbTiO3 virsmai, un otrā slāņa O atoma relaksācija uz iekšu ReO2-šķeltas ReO3 virsmai.
Mūsu aprēķini uzrādīja, ka ReO2-šķeltās ReO3, kā arī TiO2-šķeltās SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 un CaTiO3 virsmu aizliegtā zona Г–Г punktā vienmēr ir samazināta salīdzinājumā ar to tilpuma aizliegto zonu platumu. Tieši pretēji TiO2-šķeltās SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 un CaTiO3 virsmām, kur Ti-O ķīmisko saišu apdzīvotība ir lielāka nekā lielākajā tilpuma daļā, netālu no ReO2-šķeltās ReO2 virsmas, Re-O ķīmisko saišu apdzīvotība ir samazināta salīdzinājumā ar tilpuma vērtību.
Projekta darbības ietvaros tika sagatavota publikācija (aktivitāte 3) par salīdzinošajiem hibrīd-aprēķiniem uz ReO3, SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3 and CaTiO3 virsmām izmantojos Hartrī-Foka-DFT metodi.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.07.2020. - 30.09.2020.)
30.09.2020.
Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tika sagatavotā un iesniegtā atskaite par projekta istenošanas progresu zinatniskas kvalitates izvertešanai vidusposma. Centrālā finanšu un līgumu aģentūra ir veikusi projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 vidusposma zinātniskās kvalitātes izvērtējumu. Aģentūra informē, ka projekta izpildes progress saskan ar plānoto un ir saņemts pozitīvs Eiropas Komisijas ekspertu datubāzē iekļautu ekspertu konsolidētais vērtējums. Vidusposma rezultātu zinātniskās kvalitātes izvērtējuma konsolidētais vērtējums:
“From the above (see P.S.), it can be expected that the tasks planned for the second term will be successfully executed and results will be disseminated in indexed scientific journals and during scientific events. The patents will be exploited to produce high added value thin films for optical and electronic applications”.
P.S.
“The project “Smart Metal Oxide Nanocoatings and HIPIMS Technology” (HiPIMS) aims at
developing and exploiting Reactive High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) technology in order to design multi-layered transition metal oxide (TMO) thin films for electrochromic and transparent electronics applications. The investigators propose to take advantage of HiPIMS or hybrid HiPIMS/direct current (DC) sputtering method(s) to combine TMO multilayers with transparent conducting oxides as novel bifunctional coatings. The duration is 36 months and HiPIMS project involves the very well-known Institute of Solid State Physics (ISSP) from Latvia University in Riga and Ltd. Sidrabe Vacuum, a very well established enterprise in the domain of thin films. The project is relevant to Physical and Chemical sciences, and Materials engineering.
HiPIMS is very well implemented with strong and prolific joint teams who produced 6 scientific articles published in indexed journals with impact factors (IFs) usually higher than the average IFs in the respective domain. However, one article seems not to correspond exactly to the project but could be a solid source for future development within HiPIMS project, for example thin films of sulphides and not TMO.
The investigators have submitted two patents on novel R-HiPIMS technology of deposition of
functional TMO thin films and multilayers on flexible substrate and upscale the process. The work done on ReO3-based thin film deposition on PET by R-HiPIMS is very promising given the importance of this “covalent metal” as electrically conductive material.
The success story of HiPIMS project lies in the efficient collaboration between academicians and industrials who know each other very well. Clearly previous trials and errors have been achieved by the investigators as they report minimal or zero risks for HiPIMS project to be completed within 3 years.
Although not within the scope of HiPIMS, the reviewers suggest to characterize the interface
between sputtered layers as solid state chemical reactions could occur (example at Cu-WO3 or
ReO3-WO3 interface).
Theoretical results as well as preparative and experimental results exceed the proposed results can be described as being well in advance of the original time schedule. It can be expected that both from the scientific as well as form the industrial point of view excellent results and developments will be generated until the project end. The achievements have already received
two awards in recognition of the excellence of the scientific and technological work done.”
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.05.2020. – 31.07.2020.)
31.07.2020.
Projekta darbības (aktivitāte 1) “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” un “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3 un WO3 plāno kārtiņu un to heterostruktūru izgatavošanu. Veiksmīgi izstrādāta ReO3 un WO3 plāno kārtiņu uzklāšanas tehnoloģija, izmantojot reaktīvo augstas jaudas impulsu magnetrono izputināšanas (R-HiPIMS) režīmu un termisko atkvēlināšanu. Ir izpētīts R-HiPIMS režīms pie dažādām pulsu konfigurācijām un skābekļa plūsmām, izmantojot I-V-t raksturlīknes un plazmas optisko emisijas spektroskopiju. Kopumā izgatavoti un raksturoti 10 ReO3-WO3 plāno kārtiņu paraugi uz kvarca un 18 ReOx paraugi uz kaptona, stikla un kvarca. Starptautiskais patents (EU) - EP20020352.9 iesniegts 04.09.2020.
Tika veikta (aktivitāte 2) plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti un noformēti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta atkārtota pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem. Tika veiksmīgi izstrādāta TMO/Me/TMO plānu kārtiņu uzklāšanas roll-to-roll tehnoloģija, izmantojot reaktīvo R-HIPIMS magnetronu izputināšanu. Tika veiksmīgi sagatavoti TMO/Me/TMO paraugi uz PET pamatnēm.
Tika iesniegts patents : Jaunas tehnoloģijas izstrāde, izmantojot dubulto magnetronu R-HIPIMS procesu. Latvijas patents - LVP2020000040 iespegts 15.05.2020: jauna tehnoloģija.
Mēs veicām (aktivitāte 3), kā pirmie visā pasaulē, ab initio aprēķinus priekš ReO2-šķeltas ReO3 (001) virsmas un analizējām sistemātiskās tendences ReO3, SrZrO3, BaZrO3, PbZrO3 un CaZrO3 (001) virsmu aprēķinos no pirmajiem principiem. Saskaņā ar mūsu ab initio aprēķinu rezultātiem, visām ReO3, SrZrO3, BaZrO3, PbZrO3 and CaZrO3 (001) virsmām, visi virsmas augšējā slāņa atomi relaksē uz leju kristāla tilpuma virzienā, visi otrā slāņa atomi relaksē uz augšu, un visi trešā slāņa atomi, atkal, relaksē uz leju. ReO2-šķeltās ReO3 un ZrO2-šķeltās SrZrO3, BaZrO3, PbZrO3 un CaZrO3 (001) virsmu aizliegtā zona Г–Г punktā vienmēr ir samazināta salīdzinājumā ar to tilpuma aizliegto zonu platumu. Zr–O ķīmiskās saites apdzīvotība SrZrO3, BaZrO3, PbZrO3 and CaZrO3 perovskītu tilpumā vienmēr ir mazāka nekā uz to ZrO2-šķeltās (001) virsmas. Tieši pretēji, Re–O ķīmiskās saites apdzīvotība ReO3 kristāla tilpumā (0.212e) ir lielāka nekā pie ReO2-šķeltas ReO3 (001) virsmas (0.170e). Tomēr, Re–O ķīmiskās saites apdzīvotība starp Re atomu, kurš atrodas uz ReO2-šķeltās ReO3 (001) virsmas augšējā slāņa un O atomu, kurš atrodas uz ReO2-šķeltās ReO3 (001) virsmas otrā slāņa (0.262e) ir vislielākā.
Projekta darbības (aktivitāte 4) nopublicēti divi raksti starptautiski citējamos žurnālos par ReOx, ReO3 un ReS2: 1) "Understanding the Conversion Process of Magnetron-Deposited Thin Films of Amorphous ReOx to Crystalline ReO3 upon Thermal Annealing", Polyakov et al, Cryst. Growth Des. 2020, 20, 6147−6156 ; 2) "Synthesis and characterization of GaN/ReS2, ZnS/ReS2 and ZnO/ReS2 core/ shell nanowire heterostructures", Butanovs et al, Applied Surface Science 536 (2021) 147841.
1. Crystals 2020, 10, 745; doi.org/10.3390/cryst10090745.
2. J Mater Sci (2020) 55:203–217; doi.org/10.1007/s10853-019-04016-3.
3. International Journal of Modern Physics B Vol. 33, No. 32 (2019) 1950390; DOI: doi.org/10.1142/S0217979219503909;
4. IP Conference Proceedings 2174, 020181 (2019); doi.org/10.1063/1.5134332
5. Surface & Coatings Technology 401 (2020) 126269; doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126269;
6. Applied Surface Science 536 (2021) 147841; doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.147841
7. Cryst. Growth Des. 2020, 20, 6147−6156; dx.doi.org/10.1021/acs.cgd.0c00848 Rights to technologies – patents (2 patents: International patent (EU) - EP20020352.9) and Latvian patent - LVP2020000040.
8. Patent EU Aktiv 1.3 EU EP20020352_9.
9. Patent LV Aktiv 2.3 LVP2020000040.
Technical reports (4 reports).
Apbalvojumi:
Gada nozīmīgākie zinātnes sasniegumi Latvijā 2019. Roberts Eglītis, Juris Purāns, ...
Baltijas assamblejas balva zinātnē 2020. Dr. R. Eglītim par pētījumu ciklu "Teorētiski aprēķini jauniem materiāliem enerģijas iegūšanai un uzglabāšanai”
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.02.2020. – 30.04.2020.)
30.04.2020.
Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” aktivitātes “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde“ ietvaros tika veikti plānotie pētījumi un izgatavoti metālu oksīdu pārklājumi. Tika pielāgotas gāzu padeves un optiskās emisijas sistēmas nepieciešamo procesa parametru iegūšanai. Tika izgatavoti plānotie paraugi un apraksts, un sagatavoti pārklājuma tehnoloģiskā izgatavošanas procesa parametru dati. Tika optimizēti pārklājumu procesa parametri saskaņā ar pārklājumu analīzes rezultātiem.
Pārskata periodā tika papildināta tehniskā atskaite par R-HiPIMS barošanas avota konstrukciju kamerā ar diviem magnētiskajiem elementiem. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana optimālu procesa parametru iegūšanai un veikta plānoto metālu oksīdu pārklājumu izgatavošana. Tika analizēta tehnoloģiskā pārklājumu procesa parametru ietekme uz reaktīvo HiPIMS pārklājuma rezultātiem. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti un noformēti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta atkārtota pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.
Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3 plānu kārtiņu izgatavošanu un optimizāciju. Izveidota un veiksmigi notestēta lāzerkristalizācijas iekārta amorfas ReO3 plānās kārtiņas kristalizācijai pie istabas temperatūras.
Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām ReO3 kārtiņām tiks veikts struktūras un vadāmības pētījums ar elektrovadošo atomspēku mikroskopu (C-AFM, kontakts režīms) atkarībā no sintēzes parametriem (atkvēlināšanas temperatūras – RT, 200°, 250° un 300° C). Tika uzņemtas vadāmības kartes korelētas ar topogrāfijas kartēm ar dažādu mērogu (skenēšanas laukuma izmērs 1x1, 5x5 un 10x10 mikroni^2), ka arī uzņemtas strāvas-sprieguma raksturlīknes. Topogrāfijas aina labi sakrīt ar iepriekš iegūtiem SEM datiem. Optimāla atkvēlināšanas temperatūra ir 250°-300° C, kas labi sakrīt ar iepriekš iegūtiem makroskopiskiem vadāmības mērījumu datiem.
Projekta komanda nesen veica pasaulē pirmos aprēķinus priekš O-šķeltas ReO3 polāras (001) virsmas izmantojot Hartrī-Foka metodi un CRYSTAL datorprogrammu. Saskaņā ar mūsu aprēķiniem, ReO3 (001) virsmas augšējā slāņa O atomi relaksē uz leju, tilpuma virzienā. O atomu relaksācijas lielums ir 5.32% no mūsu aprēķinātās ReO3 kristāliskās režģa konstantes (3.758 Å). Otrā slāņa Re atomi uz ReO3 O-šķeltās (001) virsmas relaksē uz augšu par 2.66% no režģa konstantes. Arī 2 slāņa O atomi relaksē uz augšu, bet drusku mazāk, tikai par 0.53% no ReO3 režģa konstantes. Trešā slāņa O atomi, tāpat kā augšējā slāņa O atomi atkal relaksē uz leju, tikai šoreiz atšķirībā no augšējā slāņa to relaksācijas lielums ir ievērojami mazāks, tikai 0.98% no ReO3 režģa konstantes.
Caurspīdīgo vadošo oksīdu materiālu īpašību modelēšana (Aktivitāte N3). Veikto datora aprēķinu rezultātus apkopojošs referāts ar nosaukumu “ZnO-embedded IrO2: a first-principles approach to electronic defects” tika pieteikts E-MRS 2020 konferencei, simpozijam M: defektu izraisītie efekti nanomateriālos. Referātu apstiprināja dalībai konferencē, tika plānota tā mutiska prezentācija.
Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx, WO3-x un kristāliskām ReO3, WO3-x plānām kārtiņām, un parādīts.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.11.2019. – 31.01.2020.)
31.01.2020.
Starp aizvadītā gada (2019) nozīmīgākajiem sasniegumiem Latvijas zinātnē arī ERAF Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 pētnieki: LZA korespondētājloceklis Roberts Eglītis, LZA akadēmiķis Juris Purāns.
Šajā laika posmā projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tika izgatavoti metālu oksīdu pārklājumu paraugi. Kā arī veikti plānotie pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana nepieciešamo procesa parametru iegūšanai un plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, sagatavots apraksts un pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.
Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3-WO3 plānu kārtiņu izgatavošanu. Veiksmīgi izstrādāta ReO3-WO3 plānās kārtiņas uzklāšanas tehnoloģija uz reaktīvās magnetronu izsmidzināšanas un termiskas atkvēlināšanas bāzes. Kopumā izgatavoti un raksturoti 10 ReO3-WO3 plānās kārtiņas paraugi. Tika veiksmīgi izstrādāta ReO3-WO3 plānu kārtiņu uzklāšanas tehnoloģija, izmantojot reaktīvo DC magnetronu izputināšanu. Tika veiksmīgi sagatavoti ReO3-WO3 paraugi uz kvarca, oksidēta silīcija un kaptona pamatnēm.
Pārskata periodā tika papildināta tehniskā atskaite par R-HiPIMS barošanas avota konstrukciju kamerā ar diviem magnētiskajiem elementiem. Tika veikta injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu pielāgošana optimālu procesa parametru iegūšanai un veikta plānoto metālu oksīdu pārklājumu izgatavošana. Tika analizēta tehnoloģiskā pārklājumu procesa parametru ietekme uz reaktīvo HiPIMS pārklājuma rezultātiem. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti un noformēti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta atkārtota pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.
Projekta komanda nesen veica pasaulē pirmos aprēķinus priekš O-šķeltas ReO3 polāras (001) virsmas izmantojot Hartrī-Foka metodi un CRYSTAL kompjūtera programmu. Saskaņā ar mūsu aprēķiniem, ReO3 (001) virsmas augšējā slāņa O atomi relaksē uz leju, tilpuma virzienā. O atomu relaksācijas lielums ir 5.32% no mūsu aprēķinātās ReO3 kristāliskās režģa konstantes (3.758 Å). Otrā slāņa Re atomi uz ReO3 O-šķeltās (001) virsmas relaksē uz augšu par 2.66% no režģa konstantes. Arī 2 slāņa O atomi relaksē uz augšu, bet drusku mazāk, tikai par 0.53% no ReO3 režģa konstantes. Trešā slāņa O atomi, tāpat kā augšējā slāņa O atomi atkal relaksē uz leju, tikai šoreiz atšķirībā no augšējā slāņa to relaksācijas lielums ir ievērojami mazāks, tikai 0.98% no ReO3 režģa konstantes.
Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx, WO3-x un kristāliskām ReO3, WO3-x plānām kārtiņām, un parādīts.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.07.2019. – 30.10.2019.)
16.12.2019.
Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tika veikta laboratorijas iekārtas pielāgošana un optimālu magnetronu izvēle lai iegūtu metālu oksīdu pārklājumu heterostruktūras. Tika veikti plānotie pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros. Tika izanalizēti injicējamo gāzu un optisko emisiju sistēmu testēšanas rezultāti un izdarīti secinājumi. Tika veikta plānoto paraugu pārklājumu izgatavošana, apraksts un sagatavoti pārklājuma tehnoloģiskā procesa parametru dati. Tika veikta pārklājumu procesa parametru optimizēšana saskaņā ar pārklājumu mērījumu analīzes rezultātiem.
Projekta darbības “TMO paraugu izgatavošana un reaktīvo R-HIPIMS parametru optimizācija” ietvaros turpināti pētījumi par ReO3 plānu kārtiņu izgatavošanu. Tika veiksmīgi izstrādāta ReO3 plānu kārtiņu uzklāšanas tehnoloģija, izmantojot reaktīvo DC magnetronu izputināšanu. Tika veiksmīgi sagatavoti ReO3 paraugi uz kvarca, oksidēta silīcija un kaptona pamatnēm. Tika pētīta ReO3 veidošanās no amorfa ReOx pie dažādām temperatūrām (200, 250, 300, 350° C).
Caurspīdīgo vadošo oksīdu materiālu īpašību modelēšana. Iepriekš veiktie datoraprēķini tika papildināti ar jauniem, padziļinot tādejādi iegūtas zināšanas par materiālu. Rezultātus apkopojošs ziņojums “Hybrid density functional calculations of Ir-doped ZnO” tika prezentēts 16.09.2019 Varšavā zinātniskajā konferencē “E-MRS 2019 Fall Meeting” mutiska referāta veidā. Pašlaik top publikācija ar darba nosaukumu “Ir+Oi complex in ZnO: hybrid PBE0 calculations and experiment”, kas iekļauj visus iegūtos rezultātus par irīdija-skābekļa kompleksu cinka oksīda matricā.
Projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums“ ietvaros iegūtajām kārtiņām tika veikta struktūras un morfoloģijas analīze (XRD un SEM mērījumi), kā arī tika pētītas to optiskās (gaismas absorbcija un caurlaidība UV-VIS diapazonā) un elektriskās īpašības (elektriskā vadāmība un lādiņnesēju kustīgums) atkarībā no sintēzes parametriem. Veikti arī EXAFS mērījumi amorfām ReOx un kristāliskām ReO3 plānām kārtiņām, un parādīts, ka amorfu ReOx kārtiņu EXAFS spektrs viennozīmīgi sakrīt ar ReO2 spektru.
Par projekta īstenošanu (laika posms 01.03.2019. – 30.06.2019.)
08.07.2019.
Projekta Nr.1.1.1.1/18/A/073 “Viedie Metālu Oksīdu Nanopārklājumi un HIPIMS Tehnoloģijas” ietvaros tā uzsākšanas fāzē tika veikta laboratorijas iekārtu (LU CFI un SIA Sidrabe Vacuum) sagatavošana un aprīkošana plānoto tehnoloģisko pētījumu veikšanai, kā arī tika sākti pētījumi projekta darbību “Reaktīvās R-HiPIMS TMO plānas plēves izsmidzināšanas uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde “ un “Reaktīvās R-HiPIMS izsmidzināšanas TMO plāna plēves uzklāšanas tehnoloģijas izstrāde” ietvaros. Veikta pētījumam nepieciešamo magnetronu un HIPIMS sistēmas montāža un pieregulēšana un vakuuma sistēmas pielāgošana divu magnetronu “roll-to-roll” pārklāšanas procesam, kā arī tehnisko risinājumu iespēju izpēte, lai nodrošinātu R-HIPIMS reaktīvo magnetronu izputināšanas tehnoloģisko procesu un izveidota reaktīvā magnetronu izputināšanas procesa parametru kontroles sistēma.
Projekta darbības “TMO un TMO / TCO īpašību datormodelēšana “ ietvaros ir sākti praktiski aprēķini, izmantojot CRYSTAL datorprogrammu. Saskaņā ar pētījuma plānu veikti vairāki datoraprēķini. Tika modelēta cinka oksīda superšūna ar irīdija atomu kā aizvietošanas defektu un ar papildus starpmezglu skābekļa atomiem. Iegūtas vairākas iespējamas defektu izvietošanas konfigurācijas un tiek gatavots tos izvērtējošs apraksts. Rezultātus apkopojošs ziņojums “Hybrid density functional calculations of Ir-doped ZnO” tika pieņemts zinātniskajā konferencē “E-MRS 2019 Fall Meeting” mutiska referāta veidā.
Savukārt projekta darbības “Iegūto TMO un EC paraugu raksturojums “ ietvaros tika iegūtas ReO3 plānās kārtiņas un uzsākti pētījumi, izmatojot LU CFI aparatūru: UV-VIS, XRD, Ramana metode.