Implantációs, ionsugaras analitikai kutatások
Az ionim plantációs kutatások jelen tik azt az alapot, amelyhez az intézet számos egyéb kutatási területe is kapcsolódik. A kutatások alapfeladata az ion-szilárdtest kölcsönhatások vizsgálata, az ionsugaras analitikai m ódszerek továbbfejlesztése.
A vizsgálatok egy része az implantáció után visszamaradó hibaszerkezet ta
nulm ányozására és tudatos alakítására koncentrálódott. M egerősítést nyert, hogy az ionim plantáció által roncsolt kristály jobban tud visszanövekedni, ha a leg
felső réteget eltávolítják, mivel ebben a rétegben alakulnak ki azok a stabil kris
tályhibák, amelyek a tökéletes visszanövést gátolják.
Az im plantáláskor alkalmazott egyidejű fotonbesugárzás hatásának vizsgálata során kim utatták, hogy a bórral im plantált m intákban tapasztalható töltéshordo
zó élettartam -csökkenése jóval kisebb m értékű, m int a konvencionálisán im plantált m intákban. Az ilyen körülm ények között létrehozott hibaszerkezeti különbségek hatásai igen erősek a hőkezelés alatti diffúzióban m ind a bórral, m ind az arzénnal im plantált m inták esetében.
A M e V energiájú könnyű ionok okozta rácshibák alkalmazása töltéshordozók élettar
tamának szabályozására cím ű E U -projekt (CaLif) keretében m egoldották a töl
téshordozók élettartamának akár 100 fim mélységig történő tervszerű módosítását könnyíí ionok implantációjával. Létrehoztak egy az implantáció során alkalma
zott, ék alakú maszkot, amely lehetővé teszi a m intán a különböző mélység
tartom ányokban keltett hibák élettartam ra gyakorolt hatásának az elkülönítését.
Az extrém nagy energiájú (> 2 0 0 MeV) ionokkal besugárzott felületek pász
tázó szondás vizsgálata során sikerült egymástól jól m egkülönböztethető nyom
típusokat megfigyelni, aszerint hogy mag-mag ütközéseken alapuló vagy pedig elektronfékezés volt a gyors részecske dom ináns kölcsönhatás-mechanizm usa a nyomkeltés során. Ez a m ódszer lehetőséget nyújt az implantációs kaszkádok vizsgálatára a teljes behatolási tartományban.
Bekapcsolódtak a pórusos szilícium kutatásába is. Kísérletek történtek belső szerkezetének stabilizálására plazmaimmerzióval és a struktúra mechanikai és elektrom os tulajdonságainak megváltoztatására kis és nagy energiájú ionim plan
tációval. Vizsgálták, hogy a különböző ionsugaras analitikai technikák hogyan alkalmazhatók nagy porozitású, mezoszkópikus rétegeken. Egy M ente Carlo- program ot dolgoztak ki ennek a jelenségnek a szimulációjára, követésére. Meg
állapították, hogy a pórusos Si sokkal nagyobb dózisú implantációt visel el „me
chanikai” károsodás nélkül, m int a töm ör.
Új mérési m ódszereket dolgoztak ki könnyű szennyezők, elsősorban az oxi
gén, nitrogén és a szén mélységi eloszlásának meghatározására, különféle anya
gokban. Ebből a célból tanulm ányozták a '^N(p,ag); ’*0(d,p), ’*0(d,a), ’^C(d,p),
"*0 (p,a) és egyéb magreakciókat és ezek használatát különböző energiákon és mérési elrendezésekben. Idekapcsolódnak az elméleti kutatások a többszörös szóródás területén.
Vékonyréteg-kutatások, nanotechnológia
A vékonyréteg-kutatások alapfeladata méreteffektusok vizsgálata, a nanotech- nológiai téma pedig a pásztázószondás módszerek (STM) metodikai kutatására és alkalmazására irányul.
Kimutatták, hogy 30 nanom éternél vékonyabb gadolíniumréteg és szilíci
um hordozó szilárd fázisú vékony réteg reakciójában a kialakuló epitaxiális szilicid fázist a hordozó orientációja határozza meg, függetlenül attól, hogy a szokásos rétegvastagságok m ellett zajló vékonyréteg-reakcióban melyik az első kialakuló fázis. Elsőként készítettek szilárd fázisú vékonyréteg-reakcióban szi- lárdtest-amorfizációval am o rf Gd-Si-fázist (100) orientációjú szilícium hordo
zón. Megállapították, hogy bizonyos kiinduló gadolínium-rétegvastagság alatt a kialakuló Gd-szilicid fázis nem függ a szokásos fázissorrendtől és hőkezeléstől.
Elektronszerkezet-vizsgálatokkal azt találták, hogy az ionimplantációval amorfizált Si-Ge rendszerekben a felületi am orf kristályos átalakulás döntő m értékben meghatározza a hibam entes visszanövés lehetőségét, nem csak a felületen. Tisztázták, hogy az ionimplantált am orf Si-ban is a tetraéderestől az eddig ismertnél lényegesen jobban eltérő rövid távú rend alakul ki, hasonlóan a Ge-hoz.
Lézeres párologtatással 10 nm laterális m érettartom ányú és éles m éretelosz
lású rendszereket (C u-, C o-, Pt-, Ag-) hoztak létre. A kism éretű C u -n an o - részecskék elektronszerkezetét a Ferm i-nívón m érhető állapotsűrűségnek és a 2 eV kötési energiájú 3d állapotok sűrűségének töm bi értékéhez képest draszti
kus csökkenése jellem zi. M egállapították, hogy az Ag-, P t- 4d-, 5d-eredetű, kisebb kötési energiájú állapotai változnak legérzékenyebben a m éret csökkené
sével a C u 3d állapotokhoz hasonlóan.
K im utatták, hogy lézerim pulzussal történő olvasztással különleges, biológiai
lag aktív titánfelületet lehet létrehozni, amelyben a csontosodási folyamat lénye
gesen hatásosabb, m in t az eddig ism ert m ódszerekkel létrehozott és a gyakorlat
ban alkalm azott felületek esetén.
Az alagúteffektus elméleti kutatása során analitikus módszerekkel meghatároz
ták az egydimenziós hullámcsomag fejlődését. Kimutatták, hogy nem létezik tér
ben és időben egyaránt kompakt tartójú hullámcsomag. A vizsgálatokat kiteijesz- tették az időfüggő Schrödinger-egyenlet 3-dimenziós num erikus megoldására.
C siszolt fém felületek (N i, C r, M o, C u, Fe) felületi durvaságát ST M -m el megvizsgálva, úgy találták, hogy a felületek nm -es léptékben sim ának tekint
hetők, viszont néhány száz nm -es egyenetlenségekkel tarkítottak. A galvanizált fém felületek felülete fraktálszerű egyenetlenségekkel borított, m íg a vákuum pá
rologtatott fém felületek simábbak. Si-hordozó esetén akár 2-3 nm -es átlagos felületi durvaság is elérhető, ez kiváló érték.
Jelentős eredm ények születtek a jövő új anyagaként aposztrofált szén nano- csövek ionbesugárzással való előállítása (dubnai együttm űködés) és „boncolása”
terén.
F élvezetőszenzor-kutatások
A z alapfeladat új félvezető anyagok, szerkezetek kutatása és ezen alapuló szen- zorikai fejlesztések, valam int az országban egyedül itt m űködő teljes félvezető
m egm unkáló sor hazai és nem zetközi együttm űködésben történő hasznosítása.
M ultikristályos napelem ek készítése céljából plazmaimm erziós berendezést építettek, amelyben sikerült 50-100 nm vastag, 150-200 ÍV nm rétegellenállású n típusú rétegeket készíteni. A vékonyabb em itternek köszönhetően az elem ek kvantum hatásfoka az U V tartom ányban 5-10% -kai megnövekedett. Az Al- hádap elkészítéséhez kidolgozták azt az eljárást, amelyben egyidejűleg alakítható ki a napelem ek hatásfokát növelő reflektáló réteg, a fémes kontaktus és a hátol
dali potenciállépcső. T anulm ányozták a plazmaimm erziós implantációnak m int olcsó és nagy kihozatallal bíró technológiának a lehetőségeit is.
A pórusos Si icutatása keretében megállapították, hogy gyors hőkezeléssel ki
alakított oxidáció esetén a méretektől függő mechanikai feszültség keletkezik a pó- rusos-kristályos határfelületen. Anódikus oxidáció esetén a sugárzó és nem sugárzó átmenetek arányát az elektrokémiai oxidáció sebessége befolyásolja. Sikeresen de
monstrálták, hogy a pórusos szilícium a napelemek antireflexiós rétegeként is al
kalmazható, előállítása jól illeszthető a szelektív emitteres technológiába. A pórusos Si-rétegek optikai tulajdonságai tág határok között reprodukálhatóan, előre megter
vezett m ódon változtathatóak. Bórral és foszforral adalékok Si- és HF-tartalmú elektrolit-határfelületek elekrokémiai vizsgálatával meghatározták a koncentráció- profilokhoz tartozó I-V karakterisztikákat azon célból, hogy implantált mintázattal rendelkező szeleteken vastag pórusos rétegek kialakítására nyíljék lehetőség.
A pórusos Si vezetési mechanizmusának kutatása keretében Magyarországon elsőként és egyedül sikerült elektrolumineszkáló, szilárd kontaktusos pórusos szilíciumstruktúrát előállítani. A szabad szemmel is látható fehéres fény emissziója m ár 2 -5 V feszültségnél megfigyelhető. A struktúra változtatásával előállítottak egy vörös fényt emittáló, kb. 3 nagyságrenddel jobb hatásfokú szerkezetet is.
Egy C opernicus-program keretében a pórusos szilícium nagy fajlagos felüle
tét használják ki gázérzékelő m ikroszerkezetek előállításához. Bebizonyították, hogy az atom os rétegepitaxiás (ALE) eljárás módosításával egyenletes réteglevá
lás érhető el 1-3 m m vastag m ezopórusos rétegekben is. Megtervezték és előállí
tották az integrálható gázérzékelő alapszerkezet első változatait.
A rácscsatolóval ellátott hullámvezető szenzor orvosi és biotechnológiai cé
lokra történő hasznosítása keretében (EUREKA program) kidolgozták a világre
kordot jelentő, 0,2 |im vonalszélességű, nagy felületű, szinuszos vastagságel
oszlású ábrák anizotróp marási technikáját, és olyan felülettisztítási technikák fejlesztését kezdték meg (mechanikai polírozás, nedves kémiai marások és plazmás tisztítások kombinációja), melyek az üveghordozó felületének optikai tulajdonságait érintetlenül hagyják.
A BM E-KFKI Kísérleti Fizika Tanszékkel közösen előállították a piezo- rezisztív elven m űködő gyorsulásérzékelők első példányait, valamint az M M G AM megbízásából megtervezték és előállították a 10-600 bar nyomástartomány
ban m űködő piezorezisztív nyom ásmérő csipek tesztpéldányait.
A BME Atomfizika Tanszékével közösen végzett gyémántréteg-leválasztások vizsgálata során megállapították, hogy a m ikrohullám ú plazmás eljárással Si-ra leválasztott gyémántfilmek SiC, am orf C és gyémánt C rétegekből épülnek fel.
Sikeresen adaptálták a 30-70 M H z tartományban m űködő felületi akusztikus hullám szűrők (SAWF) teljes gyártástechnológiáját a L iN b03-szeletek m eg
munkálásától a tokozásig. A technológia birtokában lehetőség nyílt könnyen m érhető, tokozott szenzorok előállítására is.
M ágneses kutatások és kristálynövesztés
A kutatások alapfeladata különleges tulajdonságokkal rendelkező lágymágneses anyagok (egykristályos, nanokristályos és am o rf szalag) előállítása és tulajdonsá
gainak vizsgálata, valam int ezen anyagok alkalmazása szenzorikai célra.
K im utatták a koercitív tulajdonságok és a dom énszerkezet közötti összefüg
gést, és kísérletileg alátám asztott elm életi számításokkal igazolták, hogy m agne- tosztatikus m ód o n befolyásolhatók a hiszterézis-veszteségek. Kvantitatív, em pi
rikus kapcsolatot m utattak ki a koercitív tulajdonságok és az egyéb mágneses param éterek, valam int a hőm érséklet és a kristályszerkezet között. M érési eljá
rást dolgoztak ki, am elynek segítségével meghatározták, hogy a koercitivitás két alapvető forrása - a dom énfalak mágneses paraméterei, valamint az anyag lokális inhom ogenitásai - közül az anyaghibák azok, amelyek döntő m értékben befo
lyásolják a m érhető koercitív térerősséget.
Kutatásaikat kiterjesztették a Finem et típusú amorf/nanokristályos ötvöze
tekre, továbbá a vékony-, illetve m ultirétegekre is, amelyek a mágneses kutatá
sok és alkalmazások új, sokat ígérő anyagát jelentik. Meghatározták, hogy a kristályosodási lépések hogyan zajlanak le a különbözőképpen előállított am o rf szalagokból kiindulva. Kidolgozták a vasalapú am o rf és nanokristályos ötvözetek klaszterizációjának, m odelljét. Megállapították, hogy a nanokristályos szalagban elérhető m ágneses tulajdonságok szem pontjából lényeges az am o rf állapotban létrejövő klaszterizáció és kialakították a lágymágneses viselkedés szem pontjából legkedvezőbb hőkezelést.
Feszültség (húzás) alatt hőkezelt am o rf szalagokban megállapították a koerci
tív térerősség függését az indukált anizotrópia nagyságától, a dom énszerkezettől, az alkalmazott mágneses tér irányától és a kristályosodás m értékétől. K im utat
ták, hogy bizonyos esetekben a különféle, koercitivitásra vezető hatások additíve összegezhetők.
Kifejlesztettek és sikerrel alkalmaztak egy olyan új mérési összeállítást, am elynek segítségével a hiszterézis-folyamatokat leíró elméleti Preisach-m odell következtetései közvetlenül összevethetők a kísérleti adatokkal. A négyszögletes hiszterézissel bíró részecskékből álló rendszer elemei közötti m agnetosztatikus kölcsönhatást vizsgálták, közvetlen mérésekkel és num erikus m ódszerrel.
Az egykristálynövesztés terén kidolgoztak egy új eljárást, ami a Czochralski tí
pusú növesztés során változtatja a húzási sebességet, és ezáltal biztosítja az adalékok egyenletesebb eloszlását. Emellett optimalizálták a különféle lézerkristályok (N d, C riG G G és Nd:Y V OJ növesztését. Az epitaxiális gránátrétegek növesztésénél ki
dolgozták az extra vastagságú (300 |im ), illetve vékonyságú ( < l|im ) rétegek előállí
tását is, melyeket a magnetooptikai hullámvezető eszközökben lehet hasznosítani.
Kidolgoztak egy BÍ2Sr2C aC u20,2 magas hőm érsékletű szupravezető oxid- egykristály előállítására szolgáló optimális módszert. Az itt előállított szupra
vezető egykristályokon elvégzett vizsgálatok több, a világon először kim utatott jelenséget eredm ényeztek (transzportáram által generált feszültség tér- és idő
korrelációja, mágneses és ellenállás-anomália kimutatása 220 K környékén).
Az általuk kifejlesztett nagy érzékenységű mágneses térmérési m etodikát al
kalmazták az örvényáram ú anyagvizsgálatban. Ezzel a m ódszerrel a vezető anya
gokban lévő szerkezeti hibák igen nagy érzékenységgel vizsgálhatók. Standard m intákon sikerült a hátoldalon lévő 10%-os repedéseket kimutatni.
O p tika i anyagvizsgálati kutatások
A kutatások alapfeladata a foton-szilárdtest kölcsönhatások vizsgálata, az ered
m ények felhasználásával optikai mérési, vizsgálati m ódszerek fejlesztése az inté
zet kutatási feladatainak megoldására.
Az optikai kutatások több, részben összefüggő témában folytak. Az első az ellipszometria (reflexiós polarimetria) témában való mérési és méréskiértékelési m ódszerek fejlesztése és a m ódszerek alkalmazása vékonyréteg-technológiai ku
tatásokra. Az egyhullámhosszas berendezéssel folytatott kísérletek alapján kidol
gozott m ódszereket sikeresen adaptálták a spektroszkópiai ellipszométeres (SE) mérésekhez. Ü zem be helyeztek továbbá egy saját fejlesztésben előállított ellip- szométert. A mérésekkel meghatározták az ionim plantált szilícium-rácská- rosodás profilját. A m ódszer lehetővé teszi hőkezelés hatásainak vizsgálatát is. A pórusos szilíciumrétegek vastagságának és törésmutatójának (porozitásának) meghatározását spektroellipszometriával és egyhullámhosszas ellipszometriával több projektben is alkalmazták.
Szisztematikus vizsgálatok folytak arról, hogy a spektroeilipszometriát kvanti
tatív módszerré tegyék az ionimplantáció okozta rácskárosodás mélységprofiljának meghatározására. A mélyen eltemetett roncsolt rétegek esetén a spektrumok nagy hullámhosszú tartományában megfigyelt interferenciaoszcillációk megfelelő opti
kai modellel végrehajtott kiértékelése reális mélységprofilt eredményezett.
A pásztázó infravörös mikroszkóp (SIRM) fejlesztése és tesztelése során si
került bebizonyítani, hogy ez az eszköz képes a több száz |im vastag szeletek belsejében is m ikron alatti felbontással detektálni a különböző szórócentrum o
kat, és egyúttal alkalmas a m ikroüregek statisztikai változásának követésére is.
Az anyagtudományi alkalmazott lézeres kutatások terén sikerült megvalósí
tani optikai rácscsatolt hullámvezetőket biológiai anyagok érzékelése céljából. A 2400 vonal/m m -es rácsot sikerült ionimplantációval „exponálni” üveg felülete
alá úgy, hogy az üveg eredeti felülete m egm aradt, így lehetséges síkban m egm a
radó hullám vezetőt készíteni a felületére.
Az elm életi optikai kutatások terén széles szögű interferencia-kísérleteket vé
geztek lum ineszcens fényben. A SIRM -fejlesztés elméleti megalapozására vég
zett m unka (analitikusan m egoldott diffrakciós integrálok) más területeken is alkalm azhatónak bizonyult (pl. üvegszálas fókuszálás vagy a Fourier-optika).
Bioelektronika
A csoport tevékenysége a szív által létrehozott testfelszíni potenciáleloszlás in
form ációtartalm ának vizsgálatára, illetve a diagnosztikai célú „lényegkiemelésre”
irányult.
A testfelszíni potenciáltérképezés a hagyományos EKG sokelektródás kiter
jesztése, ami lehetővé teszi a szívizom lokális elektrom os elváltozásainak részle
tesebb m egism erését. A propagációs szívmodell felhasználásával igazolták, hogy a testfelszíni potenciáleloszlás alapján detektálhatók a szíven belüli aktivációs hullám terjedésének fiziológiai szem pontból karakterisztikus mozzanatai.
Kidolgozták a statisztikai térképinterpretáció-adatbank osztályonkénti m inta- nagyságára vonatkozó követelm ényeket, a térképábrázolás dimenzionalitása függvényében. M egállapították, hogy fix számú m inta esetén a figyelembe vehe
tő dim enzionalitásnak optim um a van. A statisztikai térkép-interpretációt lehe
tővé tevő adatbázis létrehozására m egterem tették a m ódszertani és program kereteket, magára az adatfeltöltésre nemzetközi kooperációt hoztak létre.
A kamrai aktiváció karakterisztikus eseménydetektálás-tulajdonságainak szi
m ulációs eljárásokkal való elemzése során megállapították, hogy a predikciós eljáráson alapuló korábbi eljárás kim utatja azon karakterisztikus esem ényeket is, amelyek az aktivációs front és egy infarktusos terület kölcsönhatásából kelet
keznek. Felvázolták egy olyan inverz feladatmegoldó rendszer elvét, amely a karakterisztikus esem ényeket detektáló algoritm us alapján generálja a karakte
risztikus esem ények szekvenciáját, majd második lépésben a fenti szekvenciához illeszthető m odellt határozza meg, és ezt tekinti az inverz feladat eredm ényének.
K van titatív m ikroszkopia
A tém a alapfeladata autom atikus képfelismerési m ódszerek fejlesztése, elsősor
ban m ikroszkópiai vizsgálatokra. Kifejlesztettek egy általános képfeldolgozó rendszert, amely kom pozitok, textilből készült anyagok, kovácsolt volfrám töret
felület, plazmaszórt és lézeresen hőkezelt rétegek szerkezetvizsgálata mellett orvosbiológiai célokra is használható.
A textilstruktúrát vizsgáló rendszer alkalmas fonalszálak átm érőjének és csa- varodási szögének m érésére és ez alapján annak meghatározására, hogyan vál
toznak a fonalszál geometriai paraméterei különböző igénybevételek hatására.
Létrehoztak egy mikroszámítógéppel vezérelt rendszert félvezetőszeleteken el
helyezett optikai karakter és vagy vonalkódok felismerésére. Autom atikus töret
felület ellenőrző rendszer készült a GE, valamint mikroszkópos felületanalizáió rendszer a Protetim részére.
T um ordiagnosztikai területen kidolgoztak egy gyors és pontos D N S - tartalom -m eghatározó és a betegséget korán diagnosztizáló és prognosztizáló eljárást. D iagnosztikai eljárást dolgoztak ki a belsőleg adott antibiotikum ok, nem szteroid gyulladáscsökkentők, láz- és fájdalomcsillapítók okozta nem - kívánatos bőrjelenségek és gyógyszeres szenzibilizáció vérből történő m eg
határozására. K apillárm ikroszkóphoz illesztett egyedi vérsejtek sebességének m érésére alkalmas diagnosztikai berendezést készítettek a Debreceni O rvos- tudom ányi Egyetem m egrendelésére, amely alkalmas keringési rendellenessé
gek vizsgálatára.
Számítógépes modellezés és elméleti kutatások
Az atom ok rendeződési jelenségeinek leírására az Ising típusú modellek nagyon sikeresnek bizonyultak. Az elméleti csoport ezen vizsgálatok kiterjesztését tűzte ki célul olyan anyagcsaládokra, melyek bonyolult kristályszerkezettel rendelkez
nek, illetve olyan nem egyensúlyi folyamatokra, melyek a technológia számára kínálnak újabb lehetőségeket. E vizsgálatok során a számítógépes szimulációk m ellett továbbfejlesztették a dinam ikusklaszter-m ódszert, és javasoltak néhány fenom enologikus leírást is a jelenségek értelmezésére.
Az alkáli fulleridek egyensúlyi (szerkezeti) tulajdonságainak, illetve fázisdiag
ramjainak értelmezésére kidolgoztak egy olyan rácsgázmodellt, ami az alkáliionok Coulom b-kölcsönhatása mellett az árnyékolást is figyelembe veszi.
Az elektrom os tér rendeződésre gyakorolt hatását vizsgálva megmutatták, hogy az egyen és váltakozó terek alkalmazásával a láncszerkezetű atomi elrende
ződések iránya befolyásolható. Elméleti szempontból ennél is fontosabb, hogy a hosszú távú, sakktáblaszerű elrendeződés kialakulását a külső elektromos tér képes megakadályozni. Sikerült bebizonyítani, hogy az önszerveződő polido- m én állapotot a szemcsehatárok m entén kialakuló részecskeáramlás, illetve az ennek következtében megjelenő határfelületi instabilitás taija fent.
A későbbiek során ezeket a kifejlesztett technikákat a csoport eredm ényesen adoptálta más m odellek (sztochasztikus sejtautomaták, egyesülő-m egsem m isülő bolyongás, térbeli evolúciós játékelm élet, két hőm érsékletű rendszerek) és u n i
verzális nem egyensúlyi fázisátm enetek vizsgálatára is, melyek ékesen bizonyít
ják a statisztikus fizika m ódszereinek eredm ényességét számos más területen is.