Veda a výskum

  •   Vývin metastabilných defektov a ich dopad na elektronické vlastnosti MoS2

V práci bol študovaný vplyv defektov na štrukturálne a elektronické vlastnosti jednej a viac MoS2 vrstiev. Formovanie a vývoj defektov bol sledovaný v ultra-vysokom vákuu žíhaním materiálu a elektrónovým ožarovaním . V prvom prípade bolo pozorované tvarovanie nestabilných domén s rozdielnou hodnotou výstupnej práce, čo bolo spôsobené  vývojom kryštalických defektov formovaných počas žíhania. Experimenty ukázali vytvorenie sírových vakancií a ich následnú difúziu, zlučovanie a migráciu, čo malo za následok prechod MoS2 z nestabilného stavu do rovnovážneho základného stavu. Tento proces môže byť aktivovaný tepelne alebo elektrónovým ožarovaním s minimálnou energiou 0,6 eV, ktorá je potrebná pre migráciu sírových vakancií. V blízkosti hraníc zŕn a okrajov MoS2 vrstiev sme pozorovali ovplyvňovanie výstupnej práce a lokálnej hustoty obsadených stavov aj pri rovnovážnych podmienkach. Výsledky práce ukázali odhadovaný teplotný rozsah pre výrobu elektronických súčiastok na báze MoS2, kde bude hrať dôležitú úlohu pasivácia vrstvy a kontrola defektov.

Výstupy:
Precner, M., Polakovič, T., Qiao, Q., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Zhu, Y., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Evolution of metastable defects and its effect on the electronic properties of MoS2 films, Sci Rep. 8 (2018) 6724.

Precner, M., Polakovič, T., Trainer, D.J., Putilov, A.V., Di Giorgio, C., Cone, I., Xi, X.X., Iavarone, M., and Karapetrov, G.: Metastable defects in monolayer and few-layer films of MoS2, AIP Conf. Proc. 2005 (2018) 020004.

  • Supravodivý drôt s MgB2 jadrom a Al obalom a spôsob jeho výroby

Extra-ľahký supravodivý drôt MgB2 s Ti bariérou and špeciálnym vonkajším Al+Al2O3 kompozitným obalom sa dá vyrobiť pomocou procesu vnútornej difúzie Mg do bóru. Špeciálne žíhacie podmienky pri 628-635 oC počas 10-30 min umožňujú tvorbu to MgB2 jadra s vysokou prúdovou hustotou spolu s vysoko pevným Al+Al2O3 obalom a Ti difúznou bariérou s obmedzenou interakciou na rozhraní s obalom. MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôt má vysoké  prúdové hustoty a tiež dobrú odolnosť voči ťahovému napätiu pri nízkych teplotách. Vinutia urobené s MgB2/Ti/Al+Al2O3 sú prinajmenej 2.5 krát ľahšie v porovnaní s vinutím z typického MgB2/Nb/Cu drôtu toho istého prierezu. Hmotnosť MgB2/Ti/Al+Al2O3 drôtu je najľahšia možná a je viac ako rádovo nižšia v porovnaní  so všetkými nízko-teplotnými aj vysoko-teplotnými  supravodičmi. Týmto spĺňa požiadavky elektrických a mechanických vlastností supravodiča pre  výkonné a ľahké supravodivé systémy, napr. výkonné veterné turbíny, letecké motory a systémy v kozmonautike.

Výstupy:

Prihláška patentu: Balog, M., Krížik, P., Kováč, P., Hušek, I., Kopera, Ľ., and Rosová, A.: Development of MgB2 wire with an aluminium stabilizer. PCT/IB2018/ISA/220

Relevantné publikácie v r. 2018:

Kováč, P., Hušek, I., Kulich, M., Kováč, J., Melišek, T., Kopera, L., Perez, N., Haessler, W., Balog, M., Krížik, P., and Berek, D.: Lightweight MgB2 wires with a high temperature aluminum sheath made of variable purity Al powder and Al2O3 content, Supercond. Sci Technol. 31 (2018) 085003.

Kováč, P., Hušek, I., Rosová, A., Kulich, M., Kováč, J., Melišek, T., Kopera, L., Balog, M., and Krížik, P.: Ultra-lightweight superconducting wire based on Mg, B, Ti and Al, Sci Reports 8 (2018) 11229.

  • Štúdium povrchových nábojov III-N heteroštruktúr pre realizáciu spínacích GaN tranzistorov

Posledné dve dekády III-N tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) získali veľkú pozornosť z dôvodu vynikajúcich predpokladov pre vysoko frekvenčné a výkonové aplikácie. Toto je vďaka špecifickej vlastnosti polarizačnej dotácie, keď vysoká koncentrácia elektrónov v dvoj-rozmernom plyne kvantovej jamy sa vytvorí na rozhraní III-N bariéra/kanál kompenzovaním prítomného polarizačného náboja PQW. Tento mechanizmus je úplne odlišný od konvenčnej modulačnej dotácie napr. v GaAs HEMT tranzistoroch, kde  dvoj-rozmerný plyn je tvorený nespojitosťou pásov na rozhraní kanál/bariéra a prímesovou dotáciou. Pre polarizačne dotované III-N MOS HEMT-y navrhujeme že i) ionizované povrchové donory sa správajú ako fixný náboj ktorý rôzny od záchytných centier, ii) kolektorový prúd otvoreného kanála je nezávislý od koncentrácie povrchových donorov Nd,surf , iii) ak Nd,surf > PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových donorov, iv) ak Nd,surf < PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových stavov v kombinácií s priamou injekciou z emitora.

Výstupy:

Gucmann, F., Ťapajna, M., Pohorelec, O., Haščík, Š., Hušeková, K., and Kuzmík, J.: Creation of two-dinesional electron gas and role of surface donors in III-N metal-oxide-semiconductor high-electron mobility transistors, Phys. Status Solidi A  215 (2018) 1800090.

Ťapajna, M., Drobny, J., Gucmann, F., Hušeková, K., Hashizume, T., and Kuzmík, J.: Impact of oxide/barrier fixed charge on threshold voltage instabilities in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures. In: Inter. Workshop on Nitride Semicond. (IWN 2018) Kanazawa 2018.

  • Výpočet povrchov voľnej energie magnetických systémov pomocou metadynamiky

Znalosť výšky energetických bariér, ktoré oddeľujú rôzne stavy v systéme, je kritická na určenie dlhodobej stability informácie uloženej v magnetických pamätiach. Túto informáciu je však ťažké získať priamo pomocou simulácií štandardných mikroskopických modelov vzhľadom na problém škálovania času, ktorý vyplýva z faktu, že prechod medzi dvoma minimami má charakter náhodného procesu. V našej práci ukazujeme, že využitím algoritmu metadynamiky s využitím vhodne zvolených kolektívnych premenných, menovite helicity a cirkulácie, je možné skonštruovať profil voľnej energie. Ukazujeme efektívnosť nového prístupu na príklade vzniku magnetického víru v nanobodke so zníženou symetriou. Pomocou rekonštrukcie povrchu voľnej energie  poukazujeme na pôvod zlomu symetrie počas vzniku víru, keď je jedna polarita víru preferovaná napriek tomu, že vonkajšie magnetické pole je aplikované v rovine bodky.

Tóbik, J., Martoňák, R., Cambel, V., : Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. Phys. Rev. B 96 (2017) 140413(R). (APVV 0088-12, VEGA 2/0180/14, VEGA 2/0200/14).

  • Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom a spôsob jeho prípravy

Zabezpečenie ekologického rozvoja spoločnosti je úzko späté s vytváraním nových možností na efektívne využívanie dostupných zdrojov energie. Jednou z možností je minimalizovať straty v elektrických prevodníkoch výkonu. Pri potrebe maximalizovať výkon a minimalizovať straty pri takomto prevode, použitie výkonových tranzistorov na báze GaN polovodičov je mimoriadne vhodné riešenie.

GaN je chemicky stály polovodičový materiál s energetickou medzerovou 3,4 eV, čo ho predurčuje pre aplikácie v nehostinom prostredí a zvýšené teploty prevyšujúce 300 °C. Okrem toho, vysoká driftová rýchlosť elektrónov v GaN okolo 1 x 105 m/s umožňuje spínanie tranzistorov pri vysokej frekvencií. Spomenuté materiálové parametre sú mimoriadne vhodné na konštrukciu výkonových vysokofrekvenčných tranzistorov a prevodníkov s vysokou účinnosťou.

Podstatou vynálezu je vertikálny GaN tranzistor, ktorý pozostáva z elektródy emitora umiestnenej na vrchnej kontaktovej n+ GaN vrstve, elektródy kolektora privedenej odspodu na GaN substráte a hradla. Elektróda hradla je vytvorená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy a je oddelená od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzere ako je v GaN. Izolačný charakter kanálovej GaN vrstvy zaručuje obohacovací mód tranzistora a tak isto umožňuje masívnu konštrukciu tranzistora, bez nutnosti nano-tvarovania, paralernej kombinácie viacerých kanálov a mostíkového prepojenia elektród emitora.

Výkonové obohacovacie tranzistory s izolačnou GaN kanálovou vrstvou nájdu uplatnenie vo vysoko účinných prevodníkoch elektrického výkonu. Uplatnenie nájdu v generácií a rozvode elektrickej energie, ale aj v napájacích a pohonných jednotkách elektromobilov.

Výstupy: Prihláška patentu č. PP50074-2017

  • Štúdium povrchových nábojov III-N heteroštruktúr pre realizáciu spínacích GaN tranzistorov

Heteroštruktúrne tranzistory na báze nitridu gália (GaN) predstavujú novú generáciu elektronických súčiastok pre výkonové a telekomunikačné aplikácie. Napriek postupnej industrializácii elektroniky na báze GaN však chýba základné porozumenie rozloženia náboja na rozhraní oxid/polovodič hradlovej štruktúry MOS, ktoré má priamy vplyv na nastavenie prahového napätia výslednej súčiastky. Stále nezodpovedanou otázkou zostáva pôvod povrchového náboja GaN polovodiča. V súbore prác sme realizovali niekoľko technologických prístupov na manipuláciu hustoty povrchových nábojov v GaN MOS tranzistoroch s oxidovou vrstvou pripravenou rôznymi technológiami. Pri výskume sme najskôr vyhodnotili všetky relevantné náboje na rozhraní oxid/polovodič. Tie sme následne korelovali s mikroštruktúrnymi a chemickými vlastnosťami rozhrania. Výsledky ukazujú možnosti manipulácie veľkosti povrchových nábojov a naznačujú pôvod ich vzniku. Tieto poznatky sú nevyhnutné pre vývoj technológie budúcej generácie rýchlych výkonových GaN tranzistorov.

Výsledok vznikol v rámci medzinárodného projektu „Vysoko-bezpečný GaN MOS spínací tranzistor (SAFEMOST)“ financovaný spoločným výskumným programom pre pokročilé materiály V4 – Japonsko

Zahraniční partneri: Maďarská akadémia vied (Maďarsko), Ferdinand-Braun-Institute Berlín (Nemecko)

HRTEM zobrazenie prierezu štruktúry Al2O3/AlGaN/GaN

Ťapajna, M., Stoklas, R., Gregušová, D., Gucmann, F., Hušeková, K., Haščík, Š., Fröhlich, K., Tóth, L., Pecz, B., Brunner, F., Kuzmík, J., : Investigation of ‘surface donors’ in Al2O3/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures: Correlation of electrical, structural, and chemical properties. Applied Surface Sci 426 (2017) 656-661. (CENTE II, APVV 15-0031, VEGA 2/0138/14).

Ťapajna, M., Válik, L., Gucmann, F., Gregušová, D., Fröhlich, K., Haščík, Š., Dobročka, E., Tóth, L., Pecz, B., Kuzmík, J., : Low-temperature atomic layer deposition-grown Al2O3 gate dielectric for GaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs: Impact of deposition conditions on interface state density. J. Vacuum Sci Technol. B 35 (2017) 01A107. (SAFEMOST, VEGA 2/0138/14, CENTE).

  • Thermo-mechanical analysis of uncooled La0.67Sr0.33MnO3 microbolometer made on circular SOI membrane

V našich experimentoch sme vykonali tepelné a mechanické analýzy nechladených mikrobolometrov s viazanými log-periodickými anténami vyrobených na kruhových membránach typu SOI (kremík na oxide kremičitom) na báze tenkých vrstiev La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO). Využívali sme pri tom kruhové membrány s maximálnymi priemermi 2 500 µm. Bola predstavená jednoduchá metóda vyšetrovania účinnosti tepelnej konverzie (prakticky určovanie hodnoty tepelného odporu Rth). Tepelné analýzy boli zároveň podporené aj modelovaním a simuláciou v programovom prostredí Ansys. Zistili sme, že hodnoty tepelného odporu Rth a tepelnej časovej konštanty τ navrhnutého bolometrického prvku je možné meniť a tiež tým pádom nastaviť pomocou zmeny hrúbky SOI membrány. Hodnoty Rth = 188 K/mW aτ = 0.88 ms boli určené z tepelných simulácií pre SOI membrány s celkovou hrúbkou 300 nm (pričom SiO2 = 200 nm a Si = 100 nm). Vyhodnocovali a študovali sme pôvod a postupné zmeny indukovaného mechanického napätia v tenkých epitaxných vrstvách po jednotlivých procesných krokoch za účelom vysvetlenia a stanovenia mechanickej stability MEMS mikrobolometra na báze tenkej vrstvy LSMO.

Lalinský, T., Dzuba, J., Vanko, G., Kutiš, V., Paulech, J., Gálik, G., Držík, M., Chromik, Š., and Lobotka, P.:Thermo-mechanical analysis of uncooled La0.67Sr0.33MnO3 microbolometer made on circular SOI membrane. Sensors Actuators A 265 (2017) 321–328. (APVV 14-0613, APVV 0450-10, APVV 0455-12, CENTE II).

  • Supravodivé káble pre veľké magnetické systémy

Pripravili a otestovali sme niekoľko supravodivých káblov typu CORC (Conductor On Round Core). Jednou z výhod tohto typu kábla je, že medená rúrka tvoriaca mechanickú oporu supravodivých pások môže byť súčasne využitá pre tok chladiaceho média. Z takého typu kábla sme vyrobili cievku, kde sme zároveň otestovali kryogénnu tepelnú izoláciu tvorenú izolačnou hmotou aerogel a polyuretánovou penou namiesto štandardnej vákuovej izolácie.
Pre interpretáciu experimentálnych výsledkov sme použili numerické výpočty, ktoré po zohľadnení vplyvu magnetického poľa, ale aj fluktuácie kritického prúdu po dĺžke vodiča, dokážu pomerne presne predpovedať vlastnosti cievok vyrobených z káblov.
Podrobne sme skúmali aj vlastnosti takéhoto kábla pre aplikácie so striedavým prúdom. Experimenty podporené numerickými výpočtami ukázali, že v centrálnej medenej trubke vznikajú straty porovnateľné so magnetizačnými stratami supravodiča.

Gömöry, F., Šouc, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., Frolek, L., : Design and testing of coils wound using the Conductor-On-Round-Tube (CORT) cable. IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4600305. (APVV 14-0438), VEGA 2/0126/15).

Šouc, J., Gömöry, F., Vojenčiak, M., Seiler, E., Kováč, J., Frolek, L., : Superconducting HTS coil made from round cable cooled by liquid nitrogen flow. Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 105014. (APVV 14-0438).

Sheng, J., Vojenčiak, M., Terzioglu, R., Frolek, L., Gömöry, F., : Numerical study on magnetization characteristics of superconducting conductor on round core cables. IEEE Trans. Applied Supercond. 27 (2017) 4800305.

Terzioglu, R., Vojenčiak, M., Sheng, J., Gömöry, F., Çavuş, T., Belenli, I., : AC loss characteristics of CORC® cable with a Cu former. Supercond. Sci Technol. 30 (2017) 085012.

  • Stabilita skyrmiónov v nanobodkách

V spolupráci s Adam Mickiewicz Univeristy v Poznani, Poľsko, a University of the Basque Country, Španielsko, sme študovali stabilitu skyrmiónov v nanobodkách. Magnetické skyrmióny sú stabilné kruhovo symetrické konfigurácie nehomogénnej magnetizácie. Tieto topologicky chránené stavy nanometrových rozmerov majú potenciál na nové riešenia pre spracovanie dát a dátové úložiská s nízkou spotrebou energie. Typicky sa riešia pomocou ultratenkej vrstvy feromagnetického materiálu a vrstvy ťažkého kovu s rôznym počtom opakovaní kvôli stabilizácií skyrmiónu. My sme v našej práci študovali vplyv obmedzenia (confinement), dipólovej interakcie  (Zelent 2017) a piningu (Zeissler 2017) na stabilitu skyrmiónu. Ukazujeme, že v dôsledku laterálneho obmedzenia a silnej magnetostatickej interakcie, generovanej mnohonásobným opakovaním vrstiev, skyrmióny dvoch rôznych veľkostí môžu byť stabilizované v tej istej nanobodke v závislosti na histórii naloženého magnetického poľa (Zelent 2017). Navrhli sme aj nanobodku s bistabilným skyrmiónovým stavom pri nulovom vonkajšom poli s pozorovateľným prepínaním medzi týmito dvoma stavmi. Bistabilita v nanobodke bola nájdená aj experimentálne a naše výpočty zahrnuli neusporiadanosť systému na vysvetlenie hysterézie v rozmere skyrmiónu (Zeissler). Náš prístup môže otvoriť novú cestu k vývoju efektívnej skyrmiónovej pamäte, v ktorej bude informácia kódovaná rozmerom skyrmiónu v rovnovážnom stave.

Zelent, M., Tóbik, J., Krawczyk, M., Guslienko, K., Mruczkiewicz, M., : Bi‐stability of magnetic skyrmions in ultrathin multilayer nanodots induced by magnetostatic interaction. Physica Status Solidi RRL 11 (2017) 1700259. (SASPRO 1244/02/01).

Zeissler, K., Mruczkiewicz, M., Finizio, S., Raabe, J., Shepley, P., Sadovnikov, A., Nikitov, S., Fallon, K., McFadzean, S., McVitie, S., Moore, T., Burnell, G., Marrows, C., : Pinning and hysteresis in the field dependent diameter evolution of skyrmions in Pt/Co/Ir superlattice stacks. Sci Rep. 7 (2017) 15125.(SASPRO 1244/02/01).