Проекты сотрудников МНЦ ФМУО поддержаны грантами Российского научного фонда



По итогам проведенных осенью 2018 года конкурсов Российского научного фонда три проекта МНЦ ФМУО получили финансирование на проведение исследований новых материалов.

Проект «Фундаментальные исследования и инновационный дизайн оптоэлектронных гетероструктур на основе III-V нитевидных нанокристаллов» под руководством В.Г. Дубровского направлен на разработку принципиально новых наноматериалов для приборов и устройств нанофотоники на основе III-V нитевидных нанокристаллов на подложках кремния.

Глобальными научно-технологическими вызовами, разрешению которых посвящен данный проект, являются:

 - получение значимых научных результатов в области полупроводниковой оптоэлектроники, позволяющих переходить к созданию новых видов научно-технической продукции;

- вывод на рынок новой научно-технической продукции, разработки технологий мирового уровня в области новых материалов и устройств полупроводниковой нанофотоники и наноэлектроники;

 - экономия энергопотребления за счет создания более эффективных источников освещения, информационнотелекоммуникационных систем, солнечных батарей, приборов персональной электроники;

 - решение вопросов экологической безопасности;

 - импортозамещение оптоэлектронных наноматериалов и устройств.

 

Указанные цели будут решаться методами вертикальной интеграции III-V ННК на кремнии, что позволяет не только избежать формирования дислокаций несоответствия из-за рассогласования с кремниевой подложкой и внутри гетероструктур в нитиевидных нанокристаллах, но и устранить проблему сегрегации внутри областей несмешивания (''miscability gaps") тройных твердых растворов в системах с сильным взаимодействием. Кроме того, для оптимизации технологий синтеза наногетероструктур будет использоваться in situ диагностика роста внутри ПЭМ в реальных условиях МПЭ роста, недоступная ранее и в любом случае отсутствующая в России.

В результате выполнения проекта будут:

1.  разработаны воспроизводимые технологии вертикальной интеграции оптических гетероструктур в ННК InGaAs/GaAs, GaAs/AlGaAs, InGaN/GaN, GaN/AlGaN, InAsP/InP и других системах материалов III-V на поверхностях кремния без образования дислокаций несоответствия;

2.     впервые в мире созданы тройные III-V материалы InxGa1-xAs и InxGa1-xN с составом x, варьируемым от 0 до 1, что позволит перекрыть оптический диапазон 365-3500 нм за счет подавления запрещенных по составу областей в ННК;

3.      проведена in situ диагностика и моделирование роста III-V ННК в реальных условиях МПЭ;

4.      получены принципиально новые результаты по динамике решетки в III-V материалах с использованием уникального комплекса XFEL;

5.      созданы новые типы наногетероструктур для светодиодов, лазеров, однофотонных излучателей и солнечных батарей на основе III-V ННК на кремнии и на темплейтах SiC/Si.

В ходе выполнения проекта будет сформирован комплект научных и технологических заделов в области оптоэлектроники, совмещенной с кремниевой электронной платформой.

 

Проект «Получение и исследование монокристаллов твердых растворов (AlxGa1-x)2O3 с содержанием алюминия до 10%, перспективных для силовой электроники» под руководством В.Е. Бугрова направлен на разработку доступной по цене технологии выращивания объемных кристаллов и производства из них подложек (AlxGa1-x)2O3 высокого кристаллического качества и чистоты.

Монокристаллы твердых растворов оксидов галлия и алюминия (AlxGa1-x)2O3 являются перспективными материалами для компонентной базы силовой электроники благодаря высокому напряжению пробоя. Применение силовой электроники на основе твердых растворов оксидов галлия и алюминия обеспечит экономию энергии не менее 10% в ресурсосберегающих распределенных электрических сетях будущего (Smart Grids). Аналогично тому, как лазеры и оптические волокна обеспечивают функционирование интернета, силовая электроника на основе (AlxGa1-x)2O3 обеспечит работу нового поколения ресурсосберегающих электрических сетей. Эти новые материалы также революционно изменят цену, размеры, вес и характеристики широкого спектра приборов высокочастотной и силовой электроники для военных применений, таких как радары и сенсоры.

Основной целью проекта будет являться разработка технологии выращивания объемных кристаллов (AlxGa1- x)2O3 способом Степанова размером не менее 5 см по высоте в диапазоне составов твердого раствора x=0–0,1 (x – содержание Al в твердом растворе). В этой области малых значений x предполагается разработка технологии выращивания как в традиционных иридиевых, так и сапфировых тиглях.

 План исследования будет включать в себя последовательное получение способом Степанова

(1) объёмных кристаллов (AlxGa1-x)2O3 с концентрацией оксида алюминия от 0 до 10%, изучение их кристаллической структуры и определение оптимальных параметров роста;

(2) объёмных монокристаллов (AlxGa1-x)2O3, исследование их дефектной структуры, отработку подходов для снижения плотности дислокаций;

(3) объемных низкодефектных монокристаллов (AlxGa1-x)2O3, исследование их электронных и оптических свойств.

Разработанная технология позволит создавать приборные структуры для силовой и высокочастотной электроники для распределенных электрических сетей будущего, для военных применений в радарах и сенсорах, для ядерной промышленности, космической электроники и других применений.

 

Проект «Теория структурных дефектов в нанобъектах и наноматериалах» под руководством А.Е. Романова посвящен изучению процессов зарождения и развития дефектов кристаллической структуры материалов пониженной размерности. Исследование формирования дефектной структуры нанообъектов и наноматериалов относится к числу наиболее приоритетных направлений развития современного материаловедения, поскольку дефекты, возникающие в процессе изготовления и эксплуатации этих материалов и структур, приводят к деградации функциональных свойств используемых материалов и характеристик изготовленных из них приборов, снижают эффективность и надежность их работы.

Целью проекта является создание научных основ управления процессами зарождения и развития дефектов кристаллической структуры нанообъектов и наноматериалов для повышения структурного совершенства, надежности работы и сохранности функциональных свойств этих материалов. Предполагается, что полученные результаты позволят разработать подходы к управлению развитием дефектных структур на каждой стадии производства и внедрения наноматериалов. Поставленную задачу планируется решать в рамках теории дефектов, использующей аналитические методы и компьютерное моделирование.

В процессе реализации проекта будут получены новые строгие аналитические решения граничных задач теории дефектов, на основе которых будут разработаны новые модели зарождения и развития дефектных структур. Параллельно будут разрабатываться новые компьютерные модели, позволяющие учесть особенности атомного строения нанообъектов и наноматериалов, взаимодействия больших ансамблей дефектов и сильную неоднородность упругих и тепловых полей в реальных приборных структурах. На основе полученных результатов будут предложены новые подходы к управлению дефектными структурами на разных стадиях производства и внедрения указанных материалов.