Ученые МФТИ с коллегами разработали новый метод получения наноразмерной керамики на основе нитратов индия, галлия и цинка. На базе полученного материала будут производиться специальные «чернила», которые необходимы при создании транзисторов и других электронных устройств. Результаты работы представлены в журнале Ceramics International.
Наноразмерная керамика — это керамические материалы, размер частиц которых находится в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Благодаря своему малому размеру такие материалы обладают уникальными физическими и химическими свойствами, которые отличают их от традиционных керамик.
Материал используется в производстве различных электронных компонентов, таких как конденсаторы, резисторы и транзисторы. Он позволяет создавать устройства электроники на гибких подложках. Также наноразмерные керамические материалы применяются в производстве светодиодов, лазеров и других оптических элементов. Подобные керамики имеют более высокую прочность и жесткость по сравнению с крупнозернистыми аналогами. Также наноразмерные керамики могут проявлять уникальные оптические эффекты, такие как флуоресценция.
Традиционно для получения керамических материалов используют технологию твердофазного синтеза — спекания исходных материалов при высокой температуре, как правило, около 1300 °C. Чем выше температуры спекания, тем больше размер частиц получаемой керамики.
Метод производства наноразмерной керамики, предложенный учеными МФТИ, позволяет создавать материал с различной степенью кристалличности, вариьируя от полностью аморфного до высоко кристаллического. Добиться этого ученым удалось, изменяя температуру отжига от 500°C до 900°C. При этом в полученном материале не было никаких нежелательных кристаллических примесей.
«Созданная технология позволяет достигнуть значительно более низких температур, что дает сохранить малый размер частиц. Это, в свою очередь, благоприятно отразится на свойствах получаемых “чернил”, которыми в дальнейшем планируется “печать” электронных устройств. Использовать порошки, полученные высокотемпературными технологиями, нельзя, поскольку чернила не будут иметь необходимых свойств и не будут стабильны, этим и был обоснован поиск новой технологии получения», — рассказал Глеб Зирник, первый автор исследования, сотрудник лаборатории функциональных оксидных материалов для микроэлектроники МФТИ.
Ученые также провели оптические измерения, чтобы выяснить, как размер кристаллов влияет на их свойства. В частности, они изучили поглощение в области инфракрасного спектра в материале и обнаружили 17 характерных линий поглощения, связанных с колебаниями атомов. Эти характеристики сильно зависят от температуры, при которой происходил процесс спекания, и, следовательно, от размера кристаллов.
«Подобный подход имеет перспективы применения для получения как материалов системы In-Ga-Zn-O, так и для других оксидных систем. Например, метод незаменим для получения замещенных ферритовых материалов, чем также занимается наша лаборатория», — добавила Светлана Гудкова, старший научный сотрудник, заместитель заведующего лабораторией.
«Чтобы понять, как растут частицы оксида индия-галлия-цинка, мы провели ряд экспериментов с использованием рентгеновской дифракции. Мы изучили, как изменяются условия роста частиц в зависимости от температуры и времени. Также мы рассчитали энергию активации роста частиц при различных условиях термической обработки. С помощью различных методов электронной микроскопии мы исследовали форму и состояние кристаллов, полученных при различных температурах. Элементы в материале распределены равномерно, аморфных примесей нет. Говоря иначе — метод синтеза был применен успешно», — рассказал Денис Винник, один из авторов исследования, заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ.
Полученные результаты могут быть полезны для дальнейшей разработки на основе IGZO (индий-галлий-цинк-оксид) «чернил» необходимых, например, в производстве электроники или для печати на различных поверхностях.
