Особлива увага науковців кафедри фізики металів приділена синтезу і дослідженню наноструктурованих напівпровідників, що пов’язано зі значною відмінністю їх властивостей в порівнянні з об’ємними напівпровідниками. Одним з найбільш цікавих та перспективних напівпровідників є наноструктурований кремній перш за все тому, що є повністю сумісним з кремнієвою технологією (а кремній, в свою чергу, є базовим матеріалом електроніки), та завдяки можливості керування структурою матеріалу на нанорівні. Наноструктурований кремній в різних його модифікаціях, включаючи кремнієві наночастинки, нанонитки і плівки, що мають порувату структуру, використовують в різноманітних областях, серед яких – нано- та оптоелектроніка, сенсорика, сучасна біологія і медицина та ін.

Основні напрями нашої роботи включають:

• Виготовлення наноструктурованого кремнію: поруватих шарів та наночастинок кремнію.
• Дослідження оптичних властивостей наноструктурованого кремнію з метою його застосування в біосенсориці та медицині.
• Синтез і дослідження властивостей мультишарових структур на основі поруватого кремнію.

 Виготовлення наноструктурованого кремнію: поруватих шарів та наночастинок кремнію

Одним з видів наноструктурованого кремнію є поруватий кремній – монокристалічний кремній з розвиненою системою пор в матеріалі. Поруватий  кремній формується в процесі електрохімічного та хімічного травлення пластин монокристалічного кремнію та може мати пори різного розміру та форми.

Поверхні (1) та перерізи (2) макропоруватого (а, в), та мезопоруватого (с) кремнію

В залежності від розмірів та структури пор, матеріал може набувати різних властивостей. Зокрема, макропоруватий кремній (а) з регулярною структурою і діаметром пор декілька мікрометрів є перспективним кандидатом для створення інтегральних конденсаторів і фотонних кристалів. Мезопоруватий (с) та мікропоруватий (розміри пор 2-5 нм) кремній мають велику площу внутрішньої поверхні та активно реагують з різними середовищами і є перспективними матеріалами для створення газових, хімічних і біологічних сенсорів. Зазвичай такі сенсори фіксують зміну електричних та оптичних властивостей поруватого кремнію при наявності в контрольованому середовищі заданих молекул і хімічних сполук.

Для мікропоруватого кремнію спостерігаються ефекти розмірного квантування. Тому його слід розглядати як один з матеріалів наноелектроніки. Для цього матеріалу характерна ефективна люмінесценція у видимому діапазоні, що суттєво відрізняє його від монокристалічного кремнію. Наночастиноки кремнію, що ми отримуємо шляхом подрібнення поруватого кремнію, використовують здебільшого в медицині. Ці та багато інших застосувань наноструктурованого кремнію потребують створення матеріалів з чітко визначеною структурою, а отже, і пошуку різних режимів синтезу. З іншого боку, створення наноструктурованого кремнію з «новою» морфологією пор дає можливість нових застосувань матеріалу.

Дослідження оптичних властивостей наноструктурованого кремнію з метою його застосування в біосенсориці та медицині

Наноструктурований  кремній має широкі перспективи використання в сучасній біології та медицині. Кремнієві наноструктуровані матеріали відрізняються відносно високою та легко керованою швидкістю деградації в біологічному середовищі з утворенням нетоксичних продуктів, що легко виводяться з організму. Чутливість властивостей поруватого кремнію до сорбованої на його поверхні речовини дозволяє отримати принципово новий тип підкладки, властивості якої можна використовувати для характеристики сорбованих об’єктів, і створювати на його основі біосенсори. В наших дослідженнях використовується явище зміни інтенсивності фотолюмінесценції поруватого кремнію під впливом різних нуклеїнових кислот, що можна використати при розробці ДНК сенсорів. Метою подальших досліджень є вплив на фотолюмінесценцію поруватого кремнію інших біологічно активних речовин для його використання в діагностиці та лікуванні захворювань, а також в біомолекулярному скринінгу.

Синтез і дослідження властивостей мультишарових структур на основі поруватого кремнію

Технологія виготовлення поруватого кремнію дозволяє отримувати багатошарові структури із заданою поруватістю та геометрією пор в різних шарах, а отже необхідними фізичними властивостями. Мультишарові структури, що містять з шари з різними поруватостями і показниками заломлення можуть бути широко використані на практиці, зокрема для створення світловодних елементів та інтерференційних фільтрів в оптиці, а також для виготовлення Бреггівських дзеркал та мікрорезонаторів в сенсориці. Принцип роботи таких сенсорів базується на ефекті зсуву спектру відбивання при заповнення пор речовинами з різними показниками заломлення. В наших дослідженням ми вивчаємо як оптичні властивості мультишаових структур, так і явища теплового транспорту в них для створення нових матеріалів з контрольованими теплотранспортними властивостями.

Спектри відбивання Бреггівського дзеркала та мікрорезонатора до (суцільна лінія) та після (пунктирна лінія) сорбції в порах деякої речовини.