• Dr. Elena Matei, Director proiect
• Dr. Ionut Enculescu, Cercetator cu experienta
• Dr. Monica Enculescu, Cercetator cu experienta
• Dr. Andreea Costas , Cercetator postdoctoral
• Dr. Mihael Beregoi, Cercetator postdoctoral
• Melania-Loredana Onea, Cercetator doctorand
• Dr. Mihaela Bunea, Cercetator postdoctoral

Etapa 1 (2021):  Depunerea de nanofire uni-segment si testarea proceselor de oxidare

Rezumatul etapei: In aceasta etapa a proiectului, unul din obiective a fost obtinerea de  nanofire metalice uni-segment, care ulterior vor fi folosite in realizarea de nanofire de tip metal -oxid metallic-metal (MOM), pe pozitia de segmente la extremitatile nanofirelor sau pentru obtinerea segmentului oxidic de centru. Pentru asta, au fost preparate nanofire metalice din Ni, Cu, Co, Sn, Au, Pt, printr-o procedura in care este implicat un sablon polimeric si electrodepunerea.  Aceasta abordare permite realizarea unor nanostructuri cu caracteristici bine controlate. Foarte importanta este posibilitatea de a controla structura/orientarea structurala a nanofirelor doar prin potentialul de electrodepunere. Pentru testele de oxidare a segmentului metalic au fost abordate trei metode si anume: tratament termic, in plasma si oxidare electrochimica, scopul fiind acela de a determina parametrii obtinerii materialului oxidic. Parametrii folositi in testele de oxidare au fost alesi in functie de dimensiunile geometrice ale materialului supus tratamentului. Probele supuse procedeelor de oxidare au fost caracterizate din punct de vedere morphologic, structural, elemental si al proprietatilor optice. Astfel, din datele de caracterizare au rezultat nanofire metalice acoperite cu un strat oxidic cu structura slab cristalizata si o banda interzisa apropiata ca valoare de rezultatele raportate in literatura. Morfologia nanofirelor oxidate este puternic influentata de metoda folosita, un rezultat interesant a fost obtinut dupa tratamentul termic al nanofirelor de Co, rezultand nanofire secundare de oxid de cobalt ce decoreaza suprafata nanofirului initial. Este interesant de remarca faptul ca aceste nanofire secundare au probabil diametre de numai cativa nanometri echivalentul a cateva zeci de atomi fiind probabil unele din cele mai subtiri structuri sintetizate.

Etapa 2 (2022). Depunerea nanofirelor multi-segment metalic si testarea proceselor de oxidare selectiva

In aceasta etapa au fost preparate nanofire multisegment de tipul Au (Pt)-M (Ni, Cu, Co, Sn)-Au(Pt) prin electrodepunere folosind metoda sablon. Electrodepunerea nanofirelor a fost realizata secvential din doua bai diferite, una continand ioni de Au sau Pt pentru segmentele de margine si o alta continand ionii metalului de interes. Au fost realizate studii legate de rata de depunere pentru fiecare metal cu scopul de a afla timpul necesar depunerii unui segment cu o anumita dimensiune. Diametrele nanofirelor preparate au fost mai mici de 100 nm. In acest fel au fost obtinute nanofire multisegment metalic cu anumite dimensiuni ale segmentelor. Tinand cont de scopul final al acestui proiect, au fost alese lungimi mai mari ale segmentelor de margine astfel incat aceste nanofire sa fie poata fi contactate pe aceste segmente de metal nobil pentru cresterea conductivitatii contactului si integrate in dispozitive electronice cu canal oxidic nanometric sau sub micronic. Toate tipurile de nanofire multisegment obtinute au fost caracterizate din punct de vedere al proprietatilor fizico- chimice. Astfel, fara nici o exceptie, nanofirele prezinta forma geometriei porilor cilindrici, au suprafetele netede si o buna interfata tinand cont de lungimea segmentelor de margine. Astfel de nanofire pot fi folosite in dezvoltarea de diverse dispozitive electronice cu aplicatii in domeniul senzorilor (magnetici, etc.). Urmatorul pas a fost testarea proceselor de oxidare selectiva a nanofirelor multisegment metalic. In urma studiilor realizate s-a constatat ca tehnicile electrochimice produc un strat foarte subtire oxidic care pasiveaza suprafata nanofirelor care urmeaza a fi transformate in oxid, inhiband continuarea procesului in profunzime firului chiar daca diametrul acestuia era sub 100 nm. Astfel ca, au fost testate tratamentul termic si in plasma dar in mediu de descarcare-aer umed, din aceleasi motive. Pentru alegerea parametrilor celor doua tehnici s-a tinut cont ca integritatea nanofirelor sa nu fie afectata pe langa scopul final. Nanofirele supuse tratamentelor termic si in plasma au fost  caracterizate din punct de vedere fizico-chimic (morfologic, structural, elemental, etc.). S-a observat o puternica influenta mai ales, a procesului termic asupra segmentului central al nanofirelor, obtinandu-se oxidarea aproape completa.Cele mai interesante nanofire multisegment sunt cele cu segment central de Co care au fost oxidate termic si pe suprafata caruia au crescut nanoplachete si nanofire cu diametru sub 5nm. Nanofirele multisegment cu segment central oxidic pot fi baza dezvoltari unor platforme senzoristice cu performante superioare datorate caracteristiciolor acestora.

Etapa 3 (2023). Prepararea de nanofire cu structura MOM si investigarea proprietatilor lor electrice

In etapa finala au fost preparate nanofire de  Au(Pt)-M(Ni, Cu, Co, Sn)Ox-Au(Pt) folosind electrodepunerea secventiala in membrane polimerice nanoporoase si oxidarea  materialelului segmentului central prin tratament termic si in plasma. Testele au aratat ca un tratament in plasma in atmosfera cu aer umed, in anumite conditii se poate modifica compozitia segmentului central. Conditiile de oxidare termica in aer au dus la obtinerea unor rezultate spectaculoase  din punct de vedere morfo-structural. Astfel, in cazul segmentului de Co s-a pastrat tendinta de decorare a suprafetei oxidului rezultat cu plachete si nanofire cu dimensiuni de cativa nanometri. Oxidarea termica a segmentului de Cu a dus la formarea unui segment tubular de CuO iar cea a segmentului de Sn la obtinerea unui segment de SnO₂ monocristalin, ceilalti oxizi rezultati fiind policristalini. Nanofirele de tip MOM obtinute au fost contactate folosind fotolitografia si litografia de electroni permitand astfel investigarea proprietatilor electrice.

A fost astfel realizat un dispozitiv ce poate fi folosit cu succes ca senzor, intr-o configuratie de tip tranzistor cu efect de camp cu poarta lichida. Astfel faptul ca dispozitivul raspunde potentialului aplicat pe poarta, demonstreaza faptul ca poate fi modulat curentul transportat prin canal pe baza potentialului dintr-un mediu lichid in jurul dispozitivului. Pot fi dezvoltate ulterior dispozitive cu impact important in domeniul sanatatii, in special al dispozitivelor biomedicale de tip point-of-care, dispozitive ce pot fi integrate in diferite tipuri de wearables. Aceste dispozitive sunt cu atat mai importante cu cat tendințele de imbatranire a populației se accentueaza iar costurile cu ingrijirea medicala devin din ce in ce mai mari.

Lucrari:

1. I. Boukhoubza, E. Matei, A. Jorio, M. Enculescu, I. Enculescu ,  Electrochemical Deposition of ZnO Nanowires on CVD-Graphene/Copper Substrates, Nanomaterials 2022, 12, 2858, https://doi.org/10.3390/nano12162858
2. I. Boukhoubza, M. Achehboune, I. Derkaoui, M. Enculescu, A. Jorio, I. Zorkani, I. Enculescu, E. Matei, The interface structural, electronic and optical properties of ZnO nanowires/Graphene nanohybrid (ZnO NWs/G): Experimental and theoretical DFT investigations, JALCOM , acceptat pentru publicare.
3. M.L. Onea, Nicusor Iacob, Gabriel Schinteie, Victor Kuncser, M.E. Toimil-Molares, E. Matei, I. Enculescu, New insights specific magnetic configurations of polycrystalline Ni nanowires  fabricated by the template method at different electrodepostion potentials, manuscris de trimis la publicare.
4. M.L. Onea, M. Enculescu, G. Boni, M.E. Toimil-Molares, E. Matei, I. Enculescu  Effect of SiO₂ passivation on electrical characteristics of ZnO nanowire FETs manuscris de trimis la publicare.

Conferinte

1. M.L. Onea, E. Matei, M. Enculescu, V. Kuncser, I. Enculescu, Ni Nanowires Properties for Functional Magnetic Materials Applications, prezentare orala la conferinta CREMS , Magurele, Romania, 21-22 octombrie 2021.
2. M.L. Onea, E. Matei, M. Enculescu, M. Beregoi, I. Enculescu, The influence of process parameters on structural and morphological properties of different metallic nanowires, prezentare orala la conferinta 12^th APMAS 2022 – International Advances in Applied Physics & Materials Science Congress & Exhibition, 13-19 oct. 2022, Oludeniz, Turcia.
3. Melania Loredana Onea, Elena Matei, Ionut Enculescu,  A comparison of electric properties nanowire FET fabricated on 2 electrode system vs .electrode system, “13th International Advances in Applied Physics and Materials Science Congress and Exhibition”,Mugla, Turcia, 11-17.10.2023, poster.
4. Elena Matei, Andreea Costas, Melania Onea, Victor Diculescu, Adrian Enache, Ionut Enculescu, Nanowire based electronic devices for sensor applications, 74th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, ISE 2023, Lyon, Franta, 3-8 septembrie 2023, poster.

elena.matei@infim.ro