Nanoérzékelők

Nanoérzékelők Laboratórium

Osztályvezető: Volk János
Kapcsolat: volk@mfa.kfki.hu, 392-2233
Weboldal: www.nems.hu

A Stratégiai Kutatási Infrastruktúra hozzáférési szabályzata

Az intézet kutatási feladatainak megfelelően a 2018-ban még Mikrotechnológiai Laboratóriumként működő szervezeti egység szakmai alapon szerveződve kettévált, így 2019-ben közös központi infrastruktúra (tiszta tér) kezelése mellett elkezdte működését a Nanoérzékelők, valamint a Mikrorendszerek Laboratórium.

A Nanoérzékelők Laboratórium célja a nanotechnológia és anyagtudomány területén elért legfrissebb alapkutatási eredmények alkalmazása új típusú fizikai érzékelőkben, különös tekintettel a mikro- és nanoméretű elektromechanikai szenzorokra. Ehhez kapcsolódóan a Laboratórium egyaránt foglalkozik piezoelektromos anyagok kutatásával, félvezető alapú nanoérzékelőkkel, valamint alacsony fogyasztású, ill. önellátó szenzorrendszerek fejlesztésével.   2019-es eredményeik:

• Autonóm és alacsony fogyasztású rendszerek fejlesztése: Folytatódott a drótnélküli szenzorok kutatása, melynek fő célja, hogy a laboratóriumban megvalósított chipeket közelebb vigyék a gyakorlati alkalmazáshoz. A fejlesztett rendszerek különböző feladatokat látnak el és különböző RF kommunikációs protokollt használnak. Az első ilyen szenzor az a gépjármű abroncsba integrált 3D erőmérő szenzor, melyet az idei évben egy önvezető autó gumijába szerelve a zalaegerszegi pályán teszteltek. A második rendszer egy vibrációs analizátor, mellyel periodikus mozgást végző mechanikai alkatrészek (pl. csapágyak) rezgési spektrumát lehet in-situ módon monitorozni. A rendszert egy saját fejlesztésű, energiagyűjtésre optimalizált keskenysávú RF kommunikációval láttak el. Létrehoztak továbbá egy vezeték nélküli eszköz prototípust, amely két beépített GM cső segítségével méri a környezeti háttérsugárzást. Vezeték nélküli hálózatnak a LoRaWan hálózatot választották, ehhez kiépítették saját hálózatukat a KFKI telephelyen. A rendszer szerves része a monitorozást végző web-alkalmazás, mely webes felületen valós időben képes megjeleníteni a mérési eredményeket, és a kapott GPS koordináta alapján a térképen követi az eszköz pozícióját.
• Piezoelektromos vékonyrétegek és vibrációs energiagyűjtők kutatása: A munka célja olyan gazdaságosan előállítható CMOS technológiával kompatibilis vékonyrétegek kutatása, melyek piezoelektromos MEMS eszközökben (vibrációs energiagyűjtő, rezonátor, gyorsulásmérő stb.) hasznosulhatnak. Az idei évben együttes vákuumporlasztással hoztak létre polikristályos Cr_xAl_1‑xN ötvözet rétegeket az x=0-0.31 koncentráció tartományban. A mintákon végzett RBS, XRD, TEM vizsgálatokkal sikerült kimutatni, hogy a kristályorientáltság szempontjából az ideális Cr kation arány x=0.12 és a legkedvezőbb hordozó hőmérséklet 350 °C. A piezoelektromos rétegek minősítésére az idei évben sikerült kidolgozniuk egy megbízható pásztázó tűszondás módszert (PFM) is, melynek titka a nagy rugóállandójú szonda, ill. a rezonanciától távoli frekvencia kiválasztása volt. Szintén reaktív porlasztással vittek fel piezoelektromos AlN rétegeket Ni és rozsdamentes acél lemezből kivágott rezgőnyelvek felületére. Az így létrehozott vibrációs energiagyűjtőket rázógéppel tesztelték.
• Memrisztív kapcsolók (BME Fizika Tanszékkel együttműködésben): Grafén nanoszalag 1/f jellegű elektromos zaját tanulmányozták elektromos úton történő kontrollált elszakítása közben. Vizsgálataik során különböző tartományokat tudtak megkülönböztetni a vezetési tulajdonságokban miközben a grafén vezeték egyre keskenyebbé vált. Vizsgálták grafén elektródák között elhelyezkedő nanoméretű SiOx alapú kapcsoló eszközök elektromos zaját is különböző stabil állapotaiban, ill. azok között történő kapcsolások során. Ezzel pontosabb képet kaptak a dielektrikumban kialakuló vezetési csatornák felépítéséről illetve a SiO_x rendszerben felfedezhető holtidő mögött rejlő fizikai folyamatról. Emellett a BME Fizika Tanszéken számára készítettek memrisztíven kapcsoló eszközöket nanopreparációs eljárásokkal. Ezen kutatások fő célja az eszközök stabil működésének demonstrálása 10 nm-nél kisebb mérettartományban. vizsgálták a SiOx memrisztor különböző ellenállású állapotaiba való kapcsolásának reprodukálhatóságát, ill. Nb₂O₅ memrisztor kapcsolását és elektromos zaját. Megkezdték a kísérleteket az erősen memrisztív tulajdonságot mutató VO₂ rétegek előállítására, melynek során a kívánt sztöchiometriát vanádium vákuumpárologtatásával, ill. utólagos oxidációjával kívánják elérni.
• Gallium-oxid vékonyrétegek és nanoszerkezetek: Első lépésben amorf gallium-oxid rétegeket hoztak létre az atomi rétegleválasztás (ALD) módszerével különböző hőmérsékleten. Ezt követte egy utólagos hőkezelés, melynek eredményeképpen kialakulhatott a kívánt béta-Ga₂O₃ fázis. Vizsgálták a Zn adalékolás hatását a különböző hőmérsékleten elkészített rétegek tulajdonságaira. A 2-10% Zn adalékolás csökkentette a rétegek ellenállását, és megkönnyítette az ohmos kontaktusok létrehozását a felületen. Szemben a tömör vékonyrétegekkel a nanoszerkezetű Ga₂O₃ –ot hidrotermális növesztéssel szintetizálták, gallium-klorid, víz és karbamid keverékéből. A növesztéseket több különböző hőmérsékleten végezték 140 és 180°C között, különböző koncentráció és növesztési idő mellett. A felsorolt paraméterek és a használt hordozó anyagi minősége, ill. felületi textúrája nagyban befolyásolták a kialakult szerkezeteket: nanorudaktól a homogén átlátszó rétegig nagyon különböző eredményeket kaptak.
• Plazmonikus nanorészecskék vizsgálata: új témaként gömb és rúd alakú Au plazmonikus nanorészecskék optikai tulajdonságait vizsgálták korrelatív SEM/egyrészecskés optikai spektroszkópia módszerrel. A kísérletek során a dipól rezgés által okozott szórási spektrum kiszélesedést vizsgálták a részecskék alakjának, méretének, és a hordozó anyagának (Si, ionimplantált Si, üveg, SiC) függvényében.
• Nemzeti Kvantumtechnológia Program (HunQuTech): A csoport szerepe a projektben, hogy biztosítsa a nanotechnológiai infrastruktúrát a konzorcium számára, ill. kielégítse a felmerülő mintapreparációs és eszközkészítési igényeket. Ennek keretében egyfelől sikerült a spintronikai eszközök alsó elektróda rendszerének periódusát 50 nm-re csökkenteni. Az alkalmazott Pt elektródák – szemben az arannyal – nem migráltak, így az elektródarendszer legalább 400 °C -ig stabil. A második kiemelendő eredmény a NbTiN szupravezetők optimalizálása volt. A leválasztási paraméterek helyes beállításával sikerült a kritikus szupravezető hőmérsékletet 14,5 K-re növelni. A harmadik feladat a HfO₂ magas-k réteg megbízható leválasztási technológiájának kidolgozása volt, melynek során TDMAH és TEMAH ALD prekurzort hasonlítottak össze a rétegek homogenitása, morfológiája, ill. dielektromos tulajdonságainak szempontjából.

Legutóbbi publikációk:

• N. Quoc, J. Radó, Zs. E. Horváth, S. Soleimani, B. Oyunbolor, J. Volk: The effect of substrate bias on the piezoelectric properties of pulse DC magnetron sputtered AlN thin films, J. Mat. Sci.: Mat. El., 0957-4522 1573-482X, 2020
• Soleimani, B. Kalas, Zs. E. Horváth, Zs. Zolnai, Zs. Czigány, A. Németh, P. Petrik, J. Volk: Optimization of co-sputtered Cr_xAl_1−xN thin films for piezoelectric MEMS devices, JOURNAL OF J. Mat. Sci.: Mat. El., 0957-4522 1573-482X, 2020
• Harmat P., Volk J.: Eljárás és rendszer információs blokkok egyirányú átvitelét megvalósító rádiós jeltovábbításra, szabadalmi igény, benyújtva
• Radó, János; Volk, János; Nagy, Attila: Jármű gumiabroncs menetdinamikai állapotát mérő eszköz: használati minta, 5198 Benyújtás éve: 2019, NSZO: B60C23/06 , Ügyszám: U1900189 , Benyújtás országa: Magyarország
• Szappanos, J. Rado, P. Harmat, J. Volk: Self-Powered Vibration Analyser, In: 2019 19th International Conference on Micro and Nanotechnology for Power Generation and Energy Conversion Applications (PowerMEMS)
• Pósa, Gy. Molnár, B. Kalas, Zs. Baji, Zs. Czigány, P. Petrik, J. Volk: A Rational Fabrication Method for Low Switching-Temperature VO₂, NANOMATERIALS 212, 2079-4991, 2021