Popularnonaukowy opis osiągniętych rezultatów
Dynamiczny rozwój nowoczesnej elektroniki i fotoniki wymaga poszukiwania nowych materiałów, które umożliwią dalszą miniaturyzację urządzeń, obniżenie zużycia energii oraz zwiększenie szybkości ich działania. Zespół badawczy z Politechniki Poznańskiej w ramach zrealizowanego projektu badał ultracienkie warstwy materiału nowej generacji, który może zmienić elektronikę przyszłości – diselenek platyny (PtSe2).
PtSe2 należy do grupy tzw. materiałów dwuwymiarowych (2D), zbudowanych z warstw o grubości zaledwie kilku atomów. W przeciwieństwie do grafenu posiada naturalną przerwę energetyczną, co pozwala na kontrolowanie przepływu prądu i czyni go obiecującym kandydatem do zastosowań w tranzystorach, czujnikach oraz detektorach promieniowania.
Intensywne badania nad materiałami 2D prowadzone są obecnie na całym świecie, jednak wiele ich właściwości – zwłaszcza w przypadku łączenia ich z innymi materiałami – pozostaje niewystarczająco poznanymi. W przypadku PtSe2 szczególnie istotne jest zrozumienie, w jaki sposób właściwości układu zmieniają się wraz z grubością warstwy oraz w kontakcie z metalami, co stanowi jedno z kluczowych wyzwań współczesnej fizyki
i inżynierii materiałów niskowymiarowych.
Projekt miał charakter badań podstawowych, koncentrujących się na zrozumieniu mechanizmów fizycznych i chemicznych zachodzących w ultracienkich warstwach PtSe2 oraz na ich granicach z metalami, a nie wyłącznie na demonstracji gotowych rozwiązań technologicznych. Celem projektu było eksperymentalne zbadanie właściwości fizycznych i chemicznych ultracienkich warstw PtSe2 oraz określenie, w jaki sposób materiał ten oddziałuje z metalami stosowanymi jako kontakty elektryczne w urządzeniach elektronicznych. Badania obejmowały analizę struktury i morfologii powierzchni, odpowiedzi optycznej w widmie Ramana oraz opracowanie i weryfikację procedur wytwarzania prostych urządzeń, w których prąd elektryczny przepływa przez warstwy o grubości kilku atomów. Badania interfejsów metal–PtSe2 są szczególnie istotne, ponieważ to właśnie w tych obszarach często powstają defekty i niepożądane reakcje chemiczne, które mogą ograniczać działanie przyszłego urządzenia, a jednocześnie decydują o efektywności transportu nośników ładunku do warstwy dwuwymiarowej. Zrozumienie tych procesów ma znaczenie nie tylko dla PtSe2, lecz także dla szerokiej klasy materiałów dwuwymiarowych.
Do badań wykorzystano zaawansowane techniki fizyki powierzchni, umożliwiające analizę materiałów w skali nanometrycznej. Morfologię powierzchni badano za pomocą mikroskopii sił atomowych (AFM) oraz skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), pozwalających uzyskać obrazy o powiększeniu wielokrotnie przewyższającym możliwości klasycznych mikroskopów optycznych. Skład chemiczny i strukturę materiału analizowano z wykorzystaniem spektroskopii Ramana oraz spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS), które umożliwiają identyfikację pierwiastków i związków chemicznych na podstawie oddziaływania światła i elektronów z materią. Realizacja części badań XPS z wykorzystaniem specjalistycznej aparatury dostępnej w zagranicznym instytucie badawczym umożliwiła przeprowadzenie pomiarów o wysokiej rozdzielczości
i porównanie wyników z danymi uzyskiwanymi w innych ośrodkach badawczych. Do wytwarzania prostych struktur badawczych zastosowano technikę litografii optycznej, umożliwiającą precyzyjne kształtowanie wzorów na powierzchni materiału. Pozwoliło to na kontrolowaną modyfikację warstw PtSe2 oraz osadzanie cienkich warstw metalicznych pełniących rolę elektrod elektrycznych.
Uzyskane wyniki dostarczyły kluczowej wiedzy na temat stabilności chemicznej oraz właściwości interfejsów metal–PtSe2. Opracowane procedury wytwarzania nano-struktur i wnioski z badań stanowią fundament pod rozwój technologii nowych układów scalonych. W długofalowej perspektywie rezultaty projektu mogą znaleźć bezpośrednie zastosowanie w przemyśle wysokich technologii (High-Tech) – m.in. przy produkcji ultra-czułych czujników środowiskowych, energooszczędnych procesorów oraz nowoczesnych urządzeń optoelektronicznych, wspierając transformację w stronę ekologicznej i wydajnej elektroniki.
Projekt PRELUDIUM BIS pn. "Badanie właściwości fizycznych cienkowarstwowych interfejsów metal/PtSe2" finansowany przez Narodowe Centrum Nauki na podstawie projektu nr. 2019/35/O/ST5/01940 (NCN).
Kierownik projektu dr hab. inż. Wojciech Koczorowski, prof. PP