Határfelületek kialakulása és mozgásának vizsgálata nanoskálán = Formation and investigation of interface moving in nanoscale

A multiréteges szerkezetek jelentős szabadenergia felesleggel rendelkeznek. Ennek legfőbb forrásai a határfelületek energiái, feszültségek és az a kémiai energia többlet, amely a réteges szerkezet és az összekevert rendszer vagy a réteges szerkezet és a reakciótermékeket tartalmazó állapot között van. Mindezek magyarázzák azt, hogy a multirétegek hajlamosak a különböző szerkezeti átalakulásokra, transzformációkra. A pályázatban a nanoméretű multirétegekben lejátszódó szilárdtest reakciók, illetve diffúziós folyamatok néhány fontos alapkérdésével foglalkoztam. Vizsgáltuk a diffúziós együttható erős koncentráció függéséből származó diffúziós nem-linearitásokat, a diffúziós keveredés és a spinodális bomlás/szegregáció kölcsönhatását, kalkogenid multirétegekben az optikai tulajdonságok változását. Kalkogenid multirétegek előállítása során kidolgoztunk egy eljárást, mellyel a termikus párologtatással előállított mintáknál jelentősen jobb és élesebb határfelületekkel rendelkező rétegeket lehet készíteni. Az így előállított Se0.6Te0.4/SiOx multirétegeben lézer fénnyel történő megvilágítás hatására szemcseméret növekedés volt figyelhető meg, mely jelentősen megváltoztatta a rétegek optikai tulajdonságait adattároló lemezek esetében e jelenség gyors írásra adva lehetőséget. | The multilayers as artificial, compositionally modulated materials are not equilibrium structures, they have significant free energy surplus. The main sources of the free energy are the energy of the interfaces, stresses and the chemical energy surplus of the modulated structures in comparison with the mixed structures. For this reason microstructural changes are expected. In the frame of this project the solid state reactions and diffusion processes on nanoscale in multilayers was investigated: the strong concentration dependence of the interdiffusion coefficients, the non-linearity of the diffusion process, and the effect of the diffusion produced on the spinodial decomposition/segregation and the changes of optical parameters in chalcogenide multilayers. We have developed the pulsed laser deposition (PLD) method for preparing multilayers from amorphous chalcogenides with improved structural characteristics (better periodicity and quality of interfaces) in comparison with thermal evaporation method. It was also established that stimulated crystallization processes in an amorphous Se0.6Te0.4/SiOx model material that easily undergo stimulated crystallization depend on the presence of matrix in the nano-layered structure which enables additional operation of the optical recording in this type of chalcogenide materials for data storage

Composition depth profile analysis of electrodeposited alloys and metal multilayers: the reverse approach

The reverse depth profile analysis is a recently developed method for the study of a deposit composition profile in the near-substrate zone. The sample preparation technique enables one to separate the deposit and a thin cover layer from its substrate, and the initial roughness of the sample is much smaller than in the conventional sputtering direction. This technique is particularly suitable to study the zones being formed in the early phase of the electrodeposition of alloys. It has been demonstrated with the reverse depth profile analysis that in many cases when one component of an alloy is preferentially deposited, an initial zone is formed that is rich in the preferentially deposited component. This phenomenon is demonstrated for Ni Cd, Ni Sn, Fe Co Ni, Co Ni and Co Ni Cu alloys. The composition change is confined to the initial 150 nm thick deposit, and it is the result of the interplay of the deposition preference and the depletion of the electrolyte near the cathode with respect to the ion reduced preferentially. The reverse depth profile analysis made it possible to compare the measured and the calculated composition depth profile of electrodeposited multilayers. It has been shown that the decay in the composition oscillation intensity in Co/Cu multilayers with the increase of the sputtering depth can be derived from the roughness measured as a function of the deposit thickness

Felületi reliefek kialakítása és alkalmazása amorf multirétegekben = Formation of surface reliefs on amorphous multilayers and its application

Fényérzékeny amorf kalkogenid félvezetőkből fejlesztettünk ki különböző nanostrukturált multirétegeket, amelyek alkalmasok felületi optikai (elnyelés és törésmutató) valamint geometriai (lokális térfogatváltozás) mikro- és nanoreliefek egy lépésben történő kialakítására. A három és ötven nanométer közötti modulációs periódussal rendelkező multirétegekben összeillesztett anyagokat (As2S3, AsSe, GeS, SexTe1-x, Se, Te, Bi, Sb, SiOx) valamint a rétegek teljes vastagságát és a reliefet kialakító külső hatásokat (fény-, proton- deuteron-nyalábok, hőkezelés) módosítva kiválasztottuk az optimális paraméterekkel rendelkező struktúrákat és eljárásokat. Kimutattuk, hogy az ionok és a lézerfény hatására fellépő fotoindukált változások (részben reverzibilis sötétedés a különálló vastagrétegek optikai elnyelési él tartományaiban) valamint a nanomultirétegekben elsődlegesen irreverzibilis világosodást okozó interdiffúzió és az ezekkel összefüggő optikai- és térfogatváltozás sok tekintetben hasonlók és a hőcsúcs jelenségként írhatók le egy modell keretében. Megmutattuk, hogy a kifejlesztett struktúrákon 200-500 nm laterális felbontással időben stabil, 10-200 nm magas és megváltozott törésmutatóval, optikai elnyeléssel rendelkező reliefek írhatók direkt módban és alkalmazhatók optikai adattárolásra, optoelektronikai elemek kialakítására. | Different nanostructured multilayers were developed on the basis of light-sensitive amorphous chalcogenide semiconductors which are applicable for a direct fabrication of surface optical (absorption and refractive index) as well as geometrical (local expansion) micro- and nanoreliefs. Changing the materials (As2S3, AsSe, GeS, SexTe1-x, Se, Te, Bi, Sb, SiOx) combined in the multilayers with modulation periods between three and fifty nanometers as well as the total thickness of the layers and the external influences used for the relief fabrication ( light-, proton-, deuteron-beams, heat treatment) we have selected structures and processes with optimum parameters. It was established, that the photo-induced effects under the laser illumination (partially reversible darkening in the spectral range of optical absorption edge of the separate thick layers) as well as the irreversible bleaching due to the interdiffusion in the nanomultilayers and the related optical and volume changes are similar in many aspects and may be described in the framework of the thermal spike model. It was shown, that 10-200 nm high relief with changed optical absorption and refractive index can be recorded in a direct mode with 200-500 nm lateral resolution in the developed structures and applied for optical storage, formation of elements for optoelectronics

Nanodiffúzió = Nanodiffusion

Megmutattuk, hogy nanoskálán létezik egy átmeneti vastagság, amely alatt a határfelületek eltolódási kinetikája anomális (eltérhet a parabolikustól) még akkor is ha nincs határfelületi reakció jelen. Atomisztikus értelmezést adtunk a határfelületi anyagtranszport kinetikai együtthatójára. Megmutattuk, hogy nagy feszültség-gradiensek a fenti lineáris-parabolikus átmeneti vastagságot többszörösére is növelhetik. Igazoltuk, hogy Mo-V multirétegek előállításakor lehet dinamikus szegregációs effektus. Sikeresen megszerveztük a "Diffusion and Stresses" c. nemzetközi wokshopot 2006-ban Magyarországon. Megmutattuk, hogy Co-amorfSi és Ni-amorfSi rendszerekben kezdetben általában nem lineáris (anomális) kinetikával nőnek a reakciórétegek nanoskálán. Megmutattuk, hogy amorf Si-nak amorf Ge-ba történő beoldódásakor az általunk megjósolt lineáris-parabolikus kinetikai átmenet valóban megfigyelhető. Cu/Si rendszerben a Ta/TaxO diffúziós gát szerepét vizsgáltuk és azt kaptuk, hogy a fenti kétrétegű barrier "öngyógyuló" módon biztosítja az amorf tantál monoxid (TaO) réteg folyamatos jelenlétét és az eddig ismert legjobb hatást biztosítja. Meghatároztuk Ag szemcsehatár diffúziós együtthatójának aktiválási energiáját Pd-ban. Megmutattuk, hogy diffúziós aszimmetria esetén (az egyik komponensben nagyságrendekkel gyorsabb a diffúzió mint a másikban) szilárdest reakcióban a keletkező fázis mindig erősen off-sztöichometrikusan nukleálódik, sőt ha kezdetben jelen van akkor akár vissza is oldódhat. | We have shown that there exists a transition thickness on nanoscale, below which the kinetic of interface shift is anomalous (different from the parabolic one) even if there is no any interface reaction present. We gave an atomistic interpretation for the interface atomic transfer coefficient. In the presence of large stress gradients the above thickness can be several times larger than in the absence of it. It was illustrated that during deposition of Mo-V multilayers dynamic segregation effects can be observed. The 'Diffusion and Stresses' international workshop was successfully organized in 2006 in Hungary. It was shown in Co-amorphousSi and Ni-amorphousSi systems that the reaction layers initially have grown by anomalous kinetics on nanoscale. During dissolution of amorphous Si into amorphous Ge, the kinetics, as predicted by us earlier, shows a transition from linear to parabolic one. We have shown that in the Cu/Si system a Ta/TaxO1-x diffusion double layer barrier provides the continuous presence of the TaO amorphous barrier and thus leads to the best known effect of diffusion isolation. The activation energy for Ag diffusion in Pg has been determined. It was shown that in the presence of diffusion asymmetry (in one component the diffusion is orders of magnitude faster than in the other) the growing phase always nucleates with strongly non-stoichiometric composition, and even can be dissolved if it is present at the beginning of the heat treatment

Investigation of the Performance of Thermally Generated Au/Ag Nanoislands for SERS and LSPR Applications

In this work the performance of Au/Ag nanoislands was investigated for Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) and Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) applications. The nanoislands were generated by thermally annealing thin layers of silver and gold (having thickness in the 5-15 nm range), which were previously sputtered onto glass surfaces. Both pure (silver and gold nanoparticles – AuNP and AgNP) and composite metallic systems (silver-gold core-shell structures – Ag-Au core-shell) were evaluated based on their plasmonic and SERS sensitivity. Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning Electron Microscopy (SEM) were used to measure the size, shape and distribution of the nanoparticles to correlate them with the obtained plasmonic/Raman capabilities. The technological parameters of nanoisland fabrication for optimal sensitivities are presented

One-step electrodeposition of binder-containing Cu nanocube catalyst layers for carbon dioxide reduction

To reach industrially relevant current densities in the electrochemical reduction of carbon dioxide, this process must be performed in continuous-flow electrolyzer cells, applying gas diffusion electrodes. Beyond the chemical composition..