Направление "Новые материалы, нанотехнологии и микроэлектроника"
Фотонный датчик на основе пористого оксида кремния и квантовых точек
для детектирования примесей в жидкой и газовой среде
Партнеры
Проблематика и решение
Существующие аналоги

Дорогое оборудование
Сложное производство
Долгая калибровка и настройка
Наш датчик

Низкая себестоимость
Легкое изготовление
Простая настройка и интеграция
Цель: разработка фотонного датчика на основе интегрального волновода из пористого оксида кремния и квантовых точек для детектирования примесей в жидкой и газовой среде.

Задачи:

  1. проанализировать научно-техническую литературу по теме проекта;
  2. разработать методику формирования пористого волновода с квантовыми точками и фотонного датчика на его основе;
  3. изучить структурные и оптические свойства материалов датчика;
  4. разработать конструкцию измерительной установки.
Концепция формирования волновода
Подготовка кремниевой пластины
Формирование каналов
Заполнение каналов частицами SiO2 и квантовыми точками
Подготовка системы для анализа
Этапы работы
Получение каналов в кремнии
Синтез и изучение свойств пленок SiO2
Синтез и изучение свойств квантовых точек
Подбор соотношений SiO2/КТ и способы нанесения в каналы кремния
Определение сорбционных характеристик
Разработка и тестирование стенда
Получение каналов в кремнии
  • на кремнии сформирован рисунок каналов методом фотолитографии;
  • анодирование в смеси IP:H2O:HF 1:3:1 позволило сформировать пористый слой;
  • дополнительная полировка при 300 мА/см2, 10 с выровняла поверхность и улучшила геометрию каналов;
  • микроскопия показывает, что каналы имеют правильную форму, однородную структуру.
Синтез и изучение свойств пленок SiO2
  • пленки SiO2 синтезированы золь-гель методом;
  • РЭМ-изображение показывает однородные сферические частицы диаметром 640-660 нм;
  • гистограмма подтверждает узкое распределение размеров частиц;
  • КР-спектр соответствует аморфному SiO2.
Синтез и изучение свойств квантовых точек
  • спектры фотолюминесценции квантовых точек CdSe, CdSe/CdS, CdSe/ZnS показывают пики в диапазоне 538-606 нм;
  • рентгеновская дифракция показывает, что квантовые точки имеют кристаллическую структуру юрцита;
  • КР-спектр подтверждает образование ядра CdSe и формирование оболочек CdS и ZnS;
  • ПЭМ-изображения показывают, что квантовые точки всех составов имеют сферическую форму. Увеличение толщины оболочки (соотношение 1:2) приводит к росту среднего размера частиц (от 3-4 нм до 4-5 нм).
Подбор соотношений SiO2/КТ и способы нанесения в каналы кремния
  • исследованы различные соотношения SiO2:КТ. По данным люминесценции максимальная интенсивность достигается при соотношениях 1:1 (методы спин-коутинг, капельное нанесение) и 1:5 (метод ракельного ножа);
  • наиболее эффективный метод заполнения каналов - ракельный нож, обеспечивающий равномерное распределение частиц.
Определение сорбционных характеристик
  • Проведено исследование сорбции метиленового синего на материалах SiO2 и SiO2 + CdSe/ZnS.
  • Композит SiO2 + CdSe/ZnS сорбирует быстрее: оптимальное время - 20 мин, у частиц SiO2 - 60 мин;
  • Сорбционная емкость частиц SiO2 составляет 2,82 мг/г, а композита SiO2 + CdSe/ZnS - 7,83 мг/г;
  • По изотермам Фрейндлиха:
SiO2: n=1,34; K=0,37
SiO2 + CdSe/ZnS: n=1,19; K=0,95
Разработка и тестирование стенда
  • создана схема стенда в Sprint Layout;
  • изготовлена печатная плата на омедненным текстолите;
  • выполнена пайка компонентов и проверка работы;
  • собрана макетная версия стенда для тестирования;
  • написана программа для считывания данных;
  • загружена прошивка и протестирована работа датчика.
Результаты работы
  • Получены каналы в кремнии
    Получены ровные, воспроизводимые каналы в кремнии, подходящие для заполнения системой SiO2 + квантовые точки.
  • Синтезированы пористые пленки SiO2
    Получены пленки из однородных частиц SiO2 с контролируемым размером и стабильной морфологией.
  • Синтезированы квантовые точки
    Синтезированы квантовые точки CdSe, CdSe/CdS и CdSe/ZnS с высокой фотолюминесценцией и узким распределением размеров.
  • Подобраны соотношения SiO2 / квантовые точки и выбран оптимальный метод их нанесения
    Оптимальные соотношения SiO2 / квантовые точки - 1:1 (метод спин-коутинг и капельный метод) и 1:5 (метод ракельного ножа). Лучший метод нанесения - ракельный нож, обеспечивающий равномерное заполнение каналов.
  • Определены сорбционные характеристики частиц SiO2 и композита SiO2 / CdSe/ZnS
    Композит SiO2 + CdSe/ZnS сорбирует быстрее (20 мин) и эффективнее (K=0,95), чем чистый SiO2,а так же обладает значительно большей сорбционной емкостью: SiO2 - 2,82 мг/г, SiO2 + CdSe/ZnS - 7,83 мг/г.
  • Разработан и протестирован стенд
    Собран рабочий оптический стенд с лазером, юстировкой и матрицей регистрации спектра. Обеспечена стабильная передача данных на компьютер.

Команда:
Белоиванов Виталий
Кузьмиченко Никита
Моткина Виктория
Патракова Полина
Сухоруков Илья
Таратун Ксения


Руководители:
Бурко Александр
Бурко Оксана