Celem projektu GaloRE jest sprawdzenie możliwości otrzymywania wydajnych i trwałych emiterów światła na bazie β-Ga2O3 domieszkowanego jonami ziem rzadkich, które mogłyby być stosowane w trudnych warunkach o wysokim narażeniu na promieniowanie czy skażenie chemiczne . W projekcie badany jest poziom i rodzaj defektów strukturalnych wywołanych wskutek domieszkowania tego materiału na drodze implantacji, a także ich role w procesach świeceniowych. W badaniach strukturalnych wykorzystane zostaną techniki eksperymentalne i obliczeniowe, w tym RBS/c, HRTEM, HRXRD, spektroskopia Ramana, jak również przeprowadzone zostaną badania optyczne, elektryczne oraz struktury subtelnej.

Nazwa Projektu: Kompleksowe badania tlenku galu implantowanego jonami metali ziem rzadkich na poczet przyszłych zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych

Akronim Projektu: GaloRE

Budżet Projektu: 2 371 400 PLN

Informacje dodatkowe: projekt realizowany w latach 2023-2027 w pełni finansowany przez NCN w ramach konkurs OPUS-23 nr 2022/45/B/ST5/02810.

Kierownik Projektu: Renata Ratajczak

Opis Projektu:

W obecnych czasach badania materiałowe są napędzane przez nowe technologie, które mają na celu ulepszenie istniejących materiałów lub zastąpienie ich tańszymi i wydajniejszymi odpowiednikami. Od kilkudziesięciu lat technologia związków półprzewodnikowych doskonale wpisuje się w ten trend. Ta technologia jest niezastąpiona w zastosowaniach optoelektronicznych, takich jak lasery, wyświetlacze czy białe diody LED, gdzie wszechobecny krzem nie może być zastosowany ze względu na swoją pośrednią i niezbyt szeroką przerwę energetyczną. Tlenek galu w stabilnej termicznie fazie beta (β-Ga₂O₃) to przezroczysty półprzewodnik z bardzo szerokim pasmem wzbronionym około ~ 4,9 eV, znacznie większym niż inne przezroczyste szerokoprzewowe materiały tlenkowe. Ostatnie prace wykazały wielki potencjał tego półprzewodnika w zastosowaniach optoelektronicznych i elektronicznych, głównie w urządzeniach dużej mocy, diodach elektroluminescencyjnych (LED), laserach, przezroczystych „inteligentnych” oknach i ogniwach słonecznych. Bardzo szeroka przerwa wzbroniona tego materiału jest przyczyną zwiększonej odporności termicznej i chemicznej, co sprawia, że materiał ten jest mniej podatny na zniszczenie w warunkach dużego napromieniowania, zatem idealny do zastosowań w przestrzeni kosmicznej i dla systemów wojskowych. Co więcej, wraz z rozwojem technologii wzrostu dużych monokryształów β-Ga₂O₃ i możliwościami osadzania cienkich warstw β-Ga₂O₃, materiał ten stał się też perspektywą dla przyszłej taniej produkcji i zastosowań na skalę przemysłową.

Podstawowa emisja światła z β-Ga₂O₃ leży w obszarze ultrafioletu, ale można je stosunkowo łatwo przestroić do obszaru widzialnego domieszkując ten materiał jonami metali ziem rzadkich (RE od ang. Rare Earth). β-Ga₂O₃ jest doskonałym gospodarzem dla jonów RE, gdyż ze względu na swoją najszerszą przerwę wzbronioną pozwala uzyskać najwydajniejszą i najintensywniejszą luminescencję od domieszki. Domieszkowanie β-Ga₂O₃ jonami RE na etapie wzrostu jest bardzo trudne ze względu na ich niską rozpuszczalność w fazie beta, co prowadzi do segregacji atomów i wytrącenia się innych faz. Alternatywną metodą domieszkowania jest technika implantacji jonów. Mimo wielu zalet, istotnym ograniczeniem tej techniki implantacji jest wprowadzanie zaburzeń sieci krystalicznej (defektów) ze względu na balistyczny charakter tego procesu. Defekty strukturalne tłumią luminescencję jak również niekorzystnie wpływają na żywotność urządzeń zbudowanych na bazie zdefektowanego materiału. Dlatego w celu odbudowy uszkodzonego implantacja kryształu konieczne jest wygrzewanie termiczne. Wygrzewanie, z kolei prowadzi do interakcji defektów, tworzenia się klastrów i wielu innych ciekawych zjawisk. Dlatego znajomość podstawowych właściwości β-Ga₂O₃ implantowanego różnymi jonami RE, natury powstałych defektów jak również mechanizmu ich transformacji ma kluczowe znaczenie dla przyszłych możliwych zastosowań β-Ga₂O₃:RE jako wydajnych monochromatycznych emiterów światła białego, które działałyby nawet w trudnych warunkach.

Projekt GaloRE zakłada nowatorskie podejście do analizy akumulacji defektów i ich transformacji w kryształach β-Ga₂O₃ narażonych na bombardowanie jonowe, ze szczególnym uwzględnieniem podejścia eksperymentalnego i obliczeniowego (symulacyjnego). Główna techniką badań strukturalnych w projekcie jest technika RBS/c. Badania prowadzone będą w IBC HZDR w Niemczech. Zebrane dane RBS/c będą analizowane przy użyciu symulacji Monte Carlo programem McChasy. Dla stworzenia pełnego obrazu analizowanych struktur defektowych planowane jest wykorzystanie także szeregu innych technik badawczych miedzy innymi takich jak HRTEM do obrazowania defektów, HRXRD do badania kumulacji naprężeń sieci i wytrąceń fazowych, czy spektroskopii Ramana, która również zostanie wykorzystana do oceny potencjalnych zmian fazowych w napromieniowanych materiałach.

Ponadto planowane jest również zbadanie mechanizmów aktywacji optycznej i elektrycznej atomów domieszki RE oraz jej interakcji z atomami matrycy zachodzących wskutek wygrzewania. W zawiązku z powyższym przeprowadzone zostaną również badania optyczne, elektryczne i struktury subtelnej. W ramach projektu planowane jest również rozwijanie technologii wzrastania kryształów β-Ga₂O₃ techniką ALD.