Doctoral Thesis
Porous-alumina-assisted formation of metal and metal-oxide nanostructures for use in advanced micro-devices
Final Thesis 16.24 MB Summary of Thesis 6.39 MBAuthor of thesis: M.Sc. Kirill Kamnev, Ph.D.
Acad. year: 2022/2023
Supervisor: Dr. Alexander Mozalev
Reviewers: Assoc. Univ.-Prof. Dr. Andrei Ionut Mardare, Prof. Xavier Correig Blanchar
Abstract:The anodization of metals through porous anodic alumina (PAA) matrix (PAA-assisted anodization) is used alternatively to nanoporous anodization or conventional nanofabrication methods for producing novel nanostructured metal oxides with improved characteristics. Enhancing properties of ZrO2 and HfO2 by nanostructuring possesses significant interest due to the active commercialization of these metal oxides. Nanostructuring ZrO2 and HfO2 by anodization is challenging because of early anodic-oxide crystallization and nearly zero cation transport number. These issues are addressed by a systematical investigation of anodizing behavior of Al superimposed on Zr or Hf layers. Reproducible PAA-assisted growth of ZrO2 nanostructures partially filling the pores of the PAA matrix is achieved for the first time. The PAA-embedded ZrO2 nanostructures demonstrate enhanced dielectric performance in a wide frequency range with low leakage current and high breakdown voltage, making them attractive for application in wet and hybrid electrolytic capacitors. The planarized films compatible with standard nanofabrication methods and comprising ZrO2 nanostructures fully filling the pores in the PAA matrix are synthesized by combining the PAA-assisted anodization of Zr with partial PAA dissolution. Such films are utilized in experimental MIM microcapacitors exhibiting low leakage current, high breakdown voltage, high energy density, low temperature coefficient of capacitance, and excellent capacitance-voltage linearity, which makes them perfect candidates for on-chip passive device integration. The PAA-assisted ZrO2 nanofilms are approbated for the first time to produce osteogenic bioceramic coatings. Such nanostructured ZrO2 bioceramic coatings can module cell-surface interactions and increase osteoblast mineralization 5-fold compared to flat ZrO2 anodic coating. The PAA-assisted nanostructured HfO2 films exhibit repeatable low-power eigh-wise bipolar resistive-switching properties, making them highly prominent as solid electrolytes in memristor applications. The PAA-assisted anodization of Hf combined with appropriate surface chemical modification is utilized for the first time for creating self-organized superhydrophobic, oil-repelling, visible light transparent, and antireflective nanostructured HfO2 coatings highly suitable for passivation of photovoltaic devices.
anodizing, porous anodic alumina, ZrO2, HfO2, nanostructure, coating, dielectric, MIM capacitor, bioceramic, memristor, superhydrophobic material
Date of defence
22.02.2023
Result of the defence
Defended (thesis was successfully defended)
Process of defence
Disertační práce pana Kamneva se zabývá dvěma hlavními body pro vývoj nových nanostrukturních materiálů na bázi oxidů kovů pomocí anodizace. Důraz je kladen na vývoj zdokonalených anodizačních metod pro zpracování nových kovových substrátů, které přímo ovlivňují budoucí elektronické, optické a lékařské aplikace. Práce také usiluje o vývoj inovativních anodizačních přístupů, které by šly nad rámec konvenční morfologie nanopórů (nanotrubiček) a syntézy anodických filmů osídlených nanopolemi objemových struktur. Disertační práce je velmi zajímavou studií, která reaguje na současné výzkumné výzvy materiálového inženýrství a nanotechnologií. Myšlenky formulované a rozvíjené v této disertační práci a výsledky prezentované v práci jsou dokonalou reakcí na aktuální potřeby vědecké komunity. Práce je velice aktuální a dobře strukturovaná. Stanovené cíle byly splněny. Výsledky práce byly prezentovány v původních vědeckých článcích publikovaných během této práce. Výsledky práce popisují jasný pokrok ve výzkumu tvorby porézních anodických oxidů, což je významné odvětví v elektrochemické komunitě. Budoucí průmyslová implementace je řešena z různých úhlů pohledu těchto aplikací a představené nápady, které budou v blízké budoucnosti velice důležité. V průběhu obhajoby pan Kamnev zodpověděl na dotazy oponentů i členů komise uspokojivě a prokázala výborné znalosti ve zkoumané problematice a schopnost samostatné vědecké práce.
Language of thesis
English
Faculty
Department
Study programme
Advanced Materials and Nanosciences (STIAMN)
Field of study
Advanced nanotechnologies and microtechnologies (PNTMT)
Composition of Committee
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
Prof. Xavier Correig Blanchar (člen)
Prof. Dr. Andrei Ionut Mardare (člen)
prof. Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D. (člen)
Supervisor’s report
Dr. Alexander Mozalev
File inserted by supervisor | Size |
---|---|
Posudek vedoucího práce [.pdf] | 581,94 kB |
Reviewer’s report
Assoc. Univ.-Prof. Dr. Andrei Ionut Mardare
File inserted by the reviewer | Size |
---|---|
Posudek oponenta [.pdf] | 196,48 kB |
Reviewer’s report
Prof. Xavier Correig Blanchar
File inserted by the reviewer | Size |
---|---|
Posudek oponenta [.pdf] | 1,48 MB |