Сотрудники лаборатории полупроводниковых оксидных материалов МФТИ с коллегами создали материалы на основе сложного оксида индия, галлия и цинка. Данный оксид является полупроводником. Поиск реагентов для низкотемпературного синтеза показал, что использование глицерина и нагрев до 500 °C обеспечивает формирование частиц этого материала размером не более 30 нм. Результаты работы, опубликованной в журнале Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, открывают возможности повышения доступности технологий 3D печати транзисторов благодаря снижению энергозатрат. Журнал имеет Первый уровень национальной системы ранжирования научных изданий — Белого списка.
Ноутбуки, смартфоны и другие сложноустроенные приборы содержат множество электронных компонентов, включая транзисторы. Транзисторы позволяют переключать отдельные элементы электрической цепи, а также усиливать либо преобразовывать электрические сигналы, например, в цифровую или звуковую форму.
Первый транзистор размером в сантиметр был изготовлен в 1947 году. Дальнейшее развитие технологий пошло по пути миниатюризации устройств. Современные транзисторы имеют нанометровые размеры. Наиболее дешевый и перспективный способ их получения — струйная трехмерная печать. Для печати нужны специальные чернила. Во-первых, они должны находиться в жидком состоянии при прохождении через печатающую головку принтера, а при нанесении на подложку быстро загустевать. Во-вторых, необходимо, чтобы затвердевшая масса избирательно проводила ток, то есть была полупроводником.
Для выполнения этих требований ученые МФТИ, СПбГУ, ЮУрГУ совместно с коллегами из Таджикистана исследовали процесс получения сложного оксида индия, галлия и цинка золь-гель методом. Реализация данного метода предполагает сначала синтез золя, затем его превращение в гель с последующей сушкой и термообработкой. Золем или коллоидным раствором называют жидкость, в объеме которой распределены и могут свободно двигаться наночастицы.
Общеизвестно, что индий, галлий и цинк связывают из растворов ионы и молекулы других веществ, именуемых лигандами. Продуктами реакций являются различные комплексы, то есть соединения, чей состав нельзя объяснить теорией образования химических связей за счет общих пар электронов. Состав и свойства комплексов зависят от условий проведения реакций. Ученые изучили эти зависимости и определили условия синтеза наночастиц, однородных по составу и представленных нерастворимыми комплексами вышеуказанных металлов. Иными словами, был получен ряд золей при интенсивном смешивании в соотношении 1:3 водных растворов солей металлов и органических веществ: лимонной и щавелевой кислоты, этиленгликоля, глицерина, мочевины и сахарозы.
Переход из золя в гель осуществлялся путем выпаривания жидкости, в ходе которого наночастицы потеряли подвижность и сформировали пространственный каркас. После чего у геля появились свойства твердого тела: отсутствие текучести, сохранение формы, прочность и упругость. Сушку геля проводили 6–22 часа, медленно повышая температуру со 100 до 500 °C. Затем высушенный и измельченный в порошок гель спекали при 700–1450 °C в течение 12–24 часов и охлаждали на воздухе.
С помощью рентгенофазового анализа ученые определили химический состав полученных образцов, а их поверхность изучили методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Разница между методами в том, что сканирующая электронная микроскопия предназначена для регистрации увеличенного изображения поверхности при отражении от нее пучка электронов, а просвечивающая — при прохождении пучка электронов через образец.
Установлено, что использование этиленгликоля и глицерина и сушка при 500 °C позволяет синтезировать рентгеноаморфные соединения. Последующее спекание при 700–900 °C формирует у образцов слоистую структуру, как у сложного оксида иттербия и железа (Рисунок 1). Кристаллическая решетка образцов — ромбоэдрическая. Параметры решетки зависят от состава и формы материала и достигают наименьших значений (a = 3,295 Å, c = 26,070 Å) в условиях нагрева до 1450 °C в течение 24 часов.
Рисунок 1. Структурная модель элементарной ячейки InGaZnO4, состоящей из октаэдров InO6 и тригональных бипирамид MO5, где M — это Zn или Ga. Источник: журнал Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics.
Микроскопические исследования показали (Рисунок 2), что полученные образцы представляют собой агломераты из наночастиц, не имеющих специфической пространственной организации. На поверхности образцов расположены скопления частиц размером 20–30 нм, также есть участки из более мелких частиц. Следует отметить, что более точные изображения были получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
Рисунок 2. Изображения поверхности образца, полученные методом сканирующей (a) и просвечивающей (b) электронной микроскопии. Образец синтезирован с использованием глицерина, подвергался сушке при 500 °C в течение 6 часов. Источник: журнал Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics.
«На сегодняшний день отсутствует обоснование применения тех или иных органических лигандов для синтеза золь-гель методом сложного оксида индия, галлия и цинка, — сказал Денис Винник, заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ. — Целью нашего исследования являлся поиск реагентов, позволяющих получить наночастицы данного оксида при наименьших температурах».
«Работая с глицерином, мы при 500 °C синтезировали наночастицы сложного оксида индия, галлия и цинка, определили тип и параметры кристаллической решетки этого оксида», — добавил Глеб Зирник, младший научный сотрудник лаборатории функциональных оксидных материалов для микроэлектроники МФТИ.
Результаты, полученные научной группой, дадут возможность целенаправленно выбирать органические реагенты для синтеза золь-гель методом сложного оксида индия, галлия и цинка, тем самым повысят доступность технологий печати транзисторов благодаря снижению энергозатрат.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, проект № 24-19-00468.
