ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
В проекте впервые рассматриваются фундаментальные основы сольвотермального метода синтеза эпитаксиальных пленок на основе диоксида ванадия с переходом диэлектрик-металл для развития новых промышленных методов получения тонкопленочных функциональных материалов с перспективными оптическими и электронными свойствами. В задачи проекта входит исследование прекурсоров для сольвотермального синтеза, выявление взаимосвязи между параметрами синтеза и фазовым составом оксидов, строением и свойствами полученных пленок на различных монокристаллических подложках, исследование кинетических особенностей роста покрытий и выявление возможности получения легированных пленок с целью изменения их функциональных характеристик. Успешное выполнение проекта позволит реализовать новый промышленный вариант синтеза практически значимых материалов с рекордно низкой стоимостью технологического оборудования и исходных реактивов, а также заложит научную базу для развития сольвотермального метода синтеза эпитаксиальных пленок на другие оксидные системы.
The project for the first time investigates the fundamental principles of the solvothermal method for the synthesis of epitaxial films based on vanadium dioxide with a metal-insulator transition for the development of new industrial methods for the production of thin-film functional materials with unique optical and electronic properties. The project objectives include the study of precursors for solvotermal synthesis, the identification of the relationship between synthesis parameters and oxide phase composition, the structures and properties of the resulting films on various single-crystal substrates, the study of the kinetic features of coating growth, and the identification of the possibility of doped films obtaining with a view to changing their functional characteristics. Successful implementation of the project will allow to realize a new industrial variant of synthesis of practically significant materials with a record low cost of technological equipment and initial reagents, and also provide the scientific basis for the development of the solvothermal method of epitaxial films synthesis for other oxide systems.
1. Определение строения прекурсоров на основе карбоксилатов ванадия, состава их растворов и выявление основных стадий термолиза с образованием фаз оксидов ванадия. 2. Выявление влияния параметров сольвотермального синтеза (природа прекурсора, температура, давление) на фазовый состав порошков оксидов ванадия 3. Выявление влияния параметров сольвотермального синтеза (природа прекурсора, температура, давление, природа подложки) на фазовый состав и структуру пленок оксидов ванадия на поликристаллических, аморфных и монокристаллических подложках
Участники проекта располагают необходимым оборудованием и реактивами для синтеза координационных соединений ванадия, проведения сольвотермального синтеза порошков и тонких пленок (в том числе эпитаксиальных) оксидных пленок. Возможности физико-химических методов анализа, которыми располагают участники проекта, позволяют провести полную характеристику состава, структуры и морфологии полученных тонкопленочных материалов. В лаборатории химии координационных соединений Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова уже на протяжении двадцати лет проводятся исследования, направленные на использование координационных соединений для решения различных задач неорганической химии и материаловедения. В итоге накоплен большой опыт в области синтеза координационных соединений и осаждения тонких пленок функциональных материалов с использованием химических растворных методов, в первую очередь многокомпонентных эпитаксиальных оксидных пленок с интересными физическими свойствами (высокотемпературных сверхпроводников, манганитов РЗЭ с колоссальным магнитным сопротивлением, никелатов, кобальтитов и ферритов РЗЭ, мультиферроиков, оксидных буферных слоев, диэлектриков и др.), а также гетероструктур, сочетающих перечисленные материалы. Руководитель представленной заявки уже имеет опыт руководства проектами РФФИ (№12-03-31377-мол-а в 2012-2013 г.г. и №15-33-70026-мол-а-мос в 2015-2016 г.г.), посвященным разработке научных основ газофазного подхода для нанесения пленок диоксида ванадия с переходом диэлектрик-металл, в ходе выполнения которого был накоплен большой опыт по работе с эпитаксиальными пленками оксидов ванадия, сконструированы установки по исследованию их электронных свойств. Исследование оптических свойств будет проведено при участии специалистов в области ИК, ТГц и СВЧ спектроскопии на современном оборудовании, что позволит получить важные результаты, соответствующие мировому уровню.
1. Впервые будут описаны химические основы процесса сольвотермального синтеза оксидов ванадия, установлены механизмы разложения координационных соединений ванадия в оксидные материалы, определены пути управления фазовым составом продуктов. 2. Впервые будут изучены особенности сольвотермального синтеза эпитаксиальных пленок диоксида ванадия с учетом влияния природы прекурсора и подложки, определены кинетические параметры процессов нанесения, оптимизированы условия получения пленок на подложках большой площади. 3. Будет показана роль температурной обработки полученных оксидных пленок в процессах перехода между различными полиморфными модификациями диоксида ванадия и его рекристаллизации с целью получения высоких характеристик перехода диэлектрик-металл. 4. Впервые методом сольвотермального синтеза будет проведено гомо- и гетеровалентное легирование пленок диоксида ванадия с целью изменения их физических характеристик. Будет проведено исследование зависимости степени легирования пленок и соотношение элементов по площади подложки от природы прекурсоров и параметров синтеза. 5. В результате успешного завершения проекта будет заложена основа нового промышленного метода синтеза эпитаксиальных пленок оксидов ванадия, отличающаяся рекордно низкой стоимостью технологического оборудования и реактивов. Полученные результаты можно будет использовать для изучения методов синтеза эпитаксиальных пленок других функциональных оксидов.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 22 февраля 2018 г.-15 декабря 2018 г. | Фундаментальные основы сольвотермального метода синтеза эпитаксиальных пленок диоксида ванадия с переходом диэлектрик-металл |
Результаты этапа: В 2018 году проводился поиск прекурсоров для получения однофазных порошков диоксида ванадия в сольвотермальных условиях, изучалось влияние параметров синтеза на кинетику роста пленок, определялись условия получения эпитаксиальных пленок на монокристаллических подложках и способы рекристаллизации пленок для улучшения электрофизических характеристик. Среди важнейших результатов можно выделить следующие: 1. в среде изопропанола реакция восстановления V2O5 при температурах 200-220 С позволяет получать порошки состава VxO2x-1, VO2(B), VxO2x+1 в зависимости от времени синтеза, степени заполнения и концентрации реагентов. Показана возможность получения пленочных покрытий за счет образования в растворах алкоголятов ванадия. 2. в гидротермальных условиях при температурах 190-220 С разложение карбоксилатов ванадила(IV) происходит с образованием наноструктурированных порошков метастабильной фазы VO2(B). Оптимизация кинетических условий синтеза позволяет получать фазы VO2(B) и VO2(M) в виде биаксиально текстурированных покрытий на поверхности монокристаллических подложек r-Al2O3. 3. температурная обработка полученных пленок при температурах около 600 С в условиях низкого парциального давления кислорода способствует кристаллизации устойчивой фазы VO2(M) с сохранением биаксиальной текстуры. Полученные пленки при температурах 60-65 С демонстрируют переход полупроводник-металл с изменением сопротивления около 10000 раз с шириной петли гистерезиса 5 С. | ||
2 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Фундаментальные основы сольвотермального метода синтеза эпитаксиальных пленок диоксида ванадия с переходом диэлектрик-металл |
Результаты этапа: За первый год выполнения проекта установлено, что наиболее эффективными прекурсорами для синтеза пленок диоксида ванадия в гидротермальных условиях являются оксалатные комплексы ванадила. Поэтому в 2019 г основное внимание было сконцентрировано на исследовании границ применимости указанных соединений для решения поставленных задач. Варьирование условий получения равномерных пленок диоксида ванадия на подложках из r-сапфира размером 1*5 см2 продемонстрировало высокую чувствительность состава и морфологии получаемых покрытий к параметрам синтеза, что мы связываем с особенностями кинетики процесса образования пленок диоксида ванадия на поверхности r-сапфира. Для исследования этого влияния проводили серии экспериментов, в которых варьировали температуру (195, 200 С), время процесса (1-8 ч), концентрацию раствора (0.01-0.1 М) и объем автоклава (10-50 мл). В результате анализа образцов методами рентгеновской дифракции, КР-спектроскопии и СЭМ установлено, что в приповерхностном слое на подложке формируется слой (100)VO2(M), а дальнейшее увеличение толщины происходит за счет разрастания плоскостей (001)VO2(B), при этом рост кристаллитов идет в виде гексагональных колонн, ориентированных по оси [102]VO2(M) в соответствии с эпитаксиальными соотношениями между пленкой и подложкой. Фаза VO2 (B) может быть преобразована в фазу VO2 (M) посредством отжига с сохранением гексагональной колончатой морфологии. Для исследования данного процесса проводили серию двухступенчатых отжигов при различной температуре. На первой стадии образцы подвергали температурной обработке при 400 С для перевода В фазы в М и на второй стадии от 450 до 650 С для спекания кристаллитов. Процесс отжига контролировали методами РФА и КР-спектроскопии. Наилучшие характеристики перехода метал-изолятор демонстрируют образцы, полученные в атмосфере Ar при 400 C и затем 600 C: 3-4 порядка изменения сопротивления в зависимости от морфологии образца. Полученные пленки так же демонстрируют обратимое изменение пропускания в широком диапазоне ТГц, что показывает большой потенциал этих эпитаксиальных гидротермальных пленок для применения в ТГц устройствах. По представленным результатам в области синтеза и кинетики роста пленок подготовлена и направлена в редакцию журнала CrystEngComm (Q1, IF 3.382) статья под названием «Hydrothermal epitaxy growth of self-organized vanadium dioxide 3D structures with metal-insulator transition and THz transmission switch properties» (ID CE-ART-11-2019-001894). Исследование свойств пропускания ТГц-излучения представлено в работе «Effect of MIT in epitaxial VO2 films on THz transmittance» журнала EPJ Web of Conferences 2018, 195, 06015 (DOI: 10.1051/epjconf/201819506015). Начата работа по легированию пленок диоксида ванадия вольфрамом и титаном, для чего в растворы прекурсоров добавляются вольфрамат натрия и бис-оксалатотитанат аммония, соответственно. К настоящему времени установлена возможность получения пленок с равномерным распределением легирующих элементов. | ||
3 | 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. | Фундаментальные основы сольвотермального метода синтеза эпитаксиальных пленок диоксида ванадия с переходом диэлектрик-металл |
Результаты этапа: Для решения проблемы введения вольфрама в состав пленок диоксида ванадия была разработана оригинальная методика, основанная на замедлении процесса кристаллизации оксидных материалов из растворов. С целью влияния на кинетику роста пленок была увеличена вязкость раствора и повышена температура кипения растворителя, путем добавления в него различных количеств этиленгликоля, объемная доля которого варьировалась от 12.5% до 50%. Гидротермальный синтез проводили в автоклавах с тефлоновыми вставками объемом 25 мл при температуре 180 С в течение 20 ч. Полученные пленки осаждались на подложки r-Al2 O3 и исследовались методами РФА, КР-спектроскопии, РЭМ, АСМ и ИСП-МС. Образцы в дальнейшем подвергались двухступенчатой температурной обработке в инертной атмосфере с целью превращения диоксида ванадия в фазу VO2 (M1 ) и улучшения контактов между кристаллитами. После отжига были исследованы электрические свойства полученных пленок, интегральный коэффициент светопропускания в видимой области и коэффициент модуляции солнечной энергии. Полученные образцы демонстрируют существенное падение температуры перехода ПП-М с 66,2 до 36,6 C, при этом амплитуда электрического гистерезиса сохраняет величину около 2-х порядков. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".
№ | Имя | Описание | Имя файла | Размер | Добавлен |
---|---|---|---|---|---|
1. | n-materialyi2018_tezisyi_Makarevich.pdf | n-materialyi2018_tezisyi_Makarevich.pdf | 375,4 КБ | 19 декабря 2018 [makarevich] | |
2. | FNM2018_tezisyi_Makarevich.pdf | FNM2018_tezisyi_Makarevich.pdf | 658,7 КБ | 19 декабря 2018 [makarevich] | |
3. | Otskanirovannye_dokumenty.pdf | Otskanirovannye_dokumenty.pdf | 1,0 МБ | 19 декабря 2018 [makarevich] | |
4. | Otskanirovannye_dokumenty_1.pdf | Otskanirovannye_dokumenty_1.pdf | 180,2 КБ | 19 декабря 2018 [makarevich] | |
5. | научная статья | CrystEngComm.pdf | 2,6 МБ | 28 марта 2021 [makarevich] | |
6. | Sbornik_tezisov_zven.pdf | Sbornik_tezisov_zven.pdf | 2,4 МБ | 28 марта 2021 [makarevich] |