Oddaljena epitaksija tankih plasti Ag(Nb,Ta)O3 skozi grafen - Sinergijski pristop za izboljšanje zmogljivosti shranjevanja energije
Oznaka in naziv projekta
Z2-50075 Oddaljena epitaksija tankih plasti Ag(Nb,Ta)O3 skozi grafen - Sinergijski pristop za izboljšanje zmogljivosti shranjevanja energije
Z2-50075 Remote epitaxy of Ag(Nb,Ta)O3 thin films through graphene - A synergistic approach for improving energy storage performance
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Urška Trstenjak
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Neustavljiv razvoj majhnih elektronskih naprav za telekomunikacijo, mikroelektromehanske sisteme ter biološke in okoljske aplikacije ustvarja veliko povpraševanje po energijsko-avtonomnih sistemih. V primerjavi z baterijami lahko kondenzatorji shranjen naboj sprostijo ekstremno hitro in s tem v kratkem času ustvarijo visoke električne tokove in gostote moči. Razvoj dielektričnih kondenzatorjev je zato zanimiv tako z znanstvenega vidika, kakor tudi v povezavi z njihovo uporabo v industriji. V ospredju so raziskave povezane s kondenzatorji, ki temeljijo na antiferoelektričnih (AFE) materialih in relaksorskih feroelektrikih (RFE). Kondenzatorji, ki temeljijo na AFE materialih, nudijo izredno visoko obnovljivo gostoto energije (Wreco), z uporabo RFE materialov pa je mogoče občutno izboljšati učinkovitost naprav za shranjevanje energije (ES).
Kljub očitnemu potencialu teh materialov, pa ostaja veliko odprtih vprašanj, povezanih s samo pripravo materialov ter z mehanizmi delovanja. Nadalje, zaradi čedalje močnejših okoljskih iniciativ, se številne raziskovalne skupine po svetu osredotočajo na preučevanje materialov, ki ne vsebujejo svinca. Eden izmed obetavnih tovrstnih materialov je Ag(Nb,Ta)O3 (ANT).
V predlaganem projektu preučujem epitaksialne tanke plasti ANT, pripravljene s pulznim-laserskim nanašanjem (PLD). Tanke plasti omogočajo doseganje lastnosti pomembnih za visoko učinkovitost ES:
(i) zahvaljujoč visoki kristalni kakovosti z nizko koncentracijo napak, je v tankih plasteh močno izboljšana dielektrična prebojna trdnost (DBS). S tem so tudi dosegljive višje maksimalne vrednosti polarizacije.
(ii) Z izkoriščanjem epitaksialne napetosti, lahko fazni prehod AFE-FE premaknemo k višjim električnim poljem.
(iii) S sočasnim dopiranjem (z elementi redkih zemelj) in načrtovanjem zrn in domen na nano nivoju, lahko zmanjšamo remanentno polarizacijo in histerezo ter s tem pripomoremo k izboljšanju izgub.
Ob naštetih prednostih pa obstajajo tudi nekateri izzivi povezani s pripravo in uporabo tankih plasti za ES. Ko plasti presežejo določeno kritično debelino, se lahko njihova kakovost zaradi mehanizmov sproščanja napetosti na stiku s substratom, ki vključuje nastanek dislokacij in drugih kristalografskih napak, zniža. Vpetost na substrat pa predstavlja resno oviro za izkoriščanje polnega potenciala plasti pod stimulacijo z električnim poljem. Tako je nelinearno obnašanje v tankih plasteh pogosto izmuzljivo.
V predlaganem projektu bom na stik med plastjo in substratom vnesla 2D material (grafen), s čimer bom dosegla sprostitev napetosti brez nastanka dislokacij in omilila vpliv vpetosti plasti na substrat ter s tem dosegla izboljšane lastnosti ES.
Omejitve pri razvoju ANT so povezane tudi s samo pripravo materiala, saj začetni material (Ag2O) razpade že pri ~ 200 °C, kar vodi do nastanka oborin Ag v obliki mikro- in nanodelcev, ki močno poslabšajo električne lastnosti materiala. Nasprotno pa so lahko nizke količine Ag praznin v matrici ANT koristne za izboljšanje lastnosti ES, zato se v projektu osredotočam tudi na vprašanja povezana z vsebnostjo in obliko Ag v ANT.
ANT ima bogat fazni diagram v odvisnosti od temperature. Pri sobni temperaturi izkazuje ferielektrični polarni red, ki združuje FE in AFE obnašanje. Wreco v najsodobnejši ANT keramiki dosega vrednost 6,3 J/cm3 z visoko, 90 % učinkovitostjo (η). Lastnosti ANT je mogoče dodatno izboljšati z dopiranjem z redkimi zemljami, pri čemer so z dopiranjem z Nd dosegli Wreco = 6,5 J/cm3. Raziskave tankih plasti ANT za uporabe v ES so še v povojih. Nedavno je bila v polikristaliničnih plasteh AgNbO3 (AN) izmerjena Wreco = 46, J/cm3 z 80,3 % učinkovitostjo, kar so dosegli z načrtovanjem zrn v nano velikosti. Večina plasti na osnovi AN zaenkrat ne izkazuje nelinearnega obnašanja ali izkazuje FE obnašanje. Nekatere nedavne raziskave so neposredno ali posredno pokazale tudi AFE obnašanje. Poglavitni razlog za odsotnost nelinearnega obnašanja v tankih plasteh predstavlja vpetost plasti na substrat.
V predlaganem projektu se bom tega izziva lotila z vpeljavo grafena na stik med substratom in plastjo. Grafen bo tvoril le van der Waals vezi s plastjo ter omogočal "drsenje" tanke plasti. Izračuni so pokazali, da lahko atomska potencialna polja prodirajo čez grafen do debeline dveh atomskih plasti. Grafen se torej lahko uporablja za oddaljeno epitaksijo. Odsotnost kovalentnih vezi med substratom in plastjo omogoča načrtovanje zanimivih lastnosti in struktur. Zaradi inherentne nezdružljivosti materialov (grafen in oksidna plast), pa je potrebno posebno pozornost posvetiti optimizaciji parametrov nanosa, da se zagotovi čim manjšo koncentracijo napak v grafenu zaradi oksidacije in poškodb zaradi visoke kinetične energije delcev rastoče plasti, ter hkrati zagotovi dobro stehiometrijo oksidne plasti.
V predlagani raziskavi bom identificirala celoten set parametrov za PLD sintezo epitaksialnih visokokakovostnih plasti ANT z definirano sestavo. Posebno pozornost bom posvetila potencialni izgubi Ag. Preko prilagajanja sestave tarče bom načrtovala polarne napake in s tem vpeljala notranje električno polje, ki poveča zmogljivost ES naprav brez potrebe po ex situ obdelavi plasti. Priprava plasti z nizko koncentracijo napak bo omogočala preučevanja materiala pri visokih električnih poljih, ki so pomembna za uporabo v končnih napravah. S sintezo plasti različnih debelin na substratih z različnimi velikostmi osnovne celice bom preučevala vpliv različnih stopenj tlačne in natezne napetosti na strukturo in električne lastnosti plasti. Poleg mehanskega tlaka bom na kristalno mrežo vplivala tudi preko dopiranja. Prisotnost AFE faze bom ugotavljala neposredno z električnimi meritvami ter posredno z iskanjem superstrukturnih uklonov z rentgensko in elektronsko diffrakcijo ter z dielektrično harmonično analizo drugoharmonični odziv).
Z uporabo predlaganega inovativnega sinergijskega pristopa s kombinacijo oddaljene epitaksije z grafenom in dopiranja z redkimi zemljami, je pričakovana najsodobnejša ES zmogljivost z Wreco > 70 J/cm3 in η > 90 %. Poleg tega, da služi kot platforma za preučevanje alternativnih mehanizmov sproščanja napetosti in odziva plasti, se lahko grafen uporablja kot sredstvo za integracijo funkcionalnih oksidov s Si. Zato bodo rezultati predlagane raziskave prispevali k utiranju poti za shranjevanje energije na čipu, kar bi spodbudilo razvoj interneta stvari, prilagodljive in nosljive elektronike, kjer so materiali brez Pb zelo zaželeni.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza
Priprava tankih plasti ANT na oksidnih substratih za poglobljeno razumevanje vplivov epitaksialne napetosti na strukturne in električne lastnosti plasti.
2. Faza
Dopiranje plasti z elementi redkih zemelj, ki zvišujejo strukturno heterogenost in inducirajo relaksorsko obnašanje, kar vodi do izboljšanja učinkovitosti ES.
3. Faza
Vstavitev 2D materiala (grafena) na stik med substratom in plastjo za izvedbo oddaljene epitaksije.Plasti s popolno odsotnostjo epitaksialne napetosti bodo pripravljene z van der Waalsovo sintezo na amorfnih substratih (prekritih z grafenom).
Vzorci bodo analizirani z večstopenjsko analizo s kombiniranjem metod, občutljivih na napetosti v kristalni mreži, napake, kemične razporeditve in sestave, s tehnikami za lokalno kartiranje napetosti in električnih lastnosti. Dobljeni rezultati bodo povezani z makroskopskimi dielektričnimi in feroelektričnimi lastnostmi. Izračunane bodo vrednosti učinkovitosti Wreco in ES.