Ученые разработали метод для увеличения энергоэффективности 3D-печати транзисторов.

Исследование опубликованное в журнале Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. Данный журнал занимает Первый уровень в национальной системе ранжирования научных изданий — Белом списке.

Ноутбуки, смартфоны и прочие сложные устройства включают множество электронных компонентов, среди которых транзисторы. Транзисторы обеспечивают переключение отдельных элементов электрической цепи, а также усиливают или преобразуют электрические сигналы, например, в цифровую или звуковую форму.

Первый транзистор, размером в сантиметр, был создан в 1947 году. В дальнейшем технологии развивались в направлении миниатюризации устройств. Современные транзисторы имеют размеры в нанометрах. Наиболее экономичный и перспективный метод их производства — струйная трехмерная печать. Для этого требуется использование специальных чернил. Во-первых, они должны оставаться в жидком состоянии при прохождении через печатающую головку принтера и быстро загустевать при нанесении на подложку. Во-вторых, затвердевшая масса должна избирательно проводить ток, то есть быть полупроводником.

Чтобы соответствовать этим требованиям, ученые МФТИ, СПбГУ и ЮУрГУ совместно с коллегами из Таджикистана исследовали процесс получения сложного оксида индия, галлия и цинка по золь-гель методу. Реализация этого метода включает сначала синтез золя, затем его преобразование в гель с последующей сушкой и термообработкой. Золем или коллоидным раствором называют жидкость, в которой распределены и могут свободно двигаться наночастицы.

Общеизвестно, что индий, галлий и цинк связывают из растворов ионы и молекулы других веществ, известных как лиганды. В результате реакций образуются различные комплексы, то есть соединения, состав которых не может быть объяснен теорией формирования химических связей через общие пары электронов. Состав и свойства этих комплексов зависят от условий проведения реакций. Ученые изучили эти зависимости и определили условия синтеза наночастиц, однородных по составу и представленными нерастворимыми комплексами указанных металлов. Иными словами, был получен ряд золей при интенсивном смешивании в соотношении 1:3 водных растворов солей металлов и органических веществ: лимонной и щавелевой кислот, этиленгликоля, глицерина, мочевины и сахарозы.

Переход из золя в гель происходил путем выпаривания жидкости, в процессе которого наночастицы теряли подвижность и формировали пространственный каркас. После этого гель приобретал свойства твердого тела: отсутствие текучести, сохранение формы, прочность и упругость. Сушка геля проводилась в течение 6–22 часов с медленным повышением температуры с 100 до 500 градусов. Затем высушенный и измельченный в порошок гель спекался при 700–1450 градусов в течение 12–24 часов и охлаждался на воздухе.

С помощью рентгенофазового анализа ученые определили химический состав полученных образцов, а их поверхность исследовали методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии. Разница между этими методами заключается 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, а также сушка при 500 градусах позволяет синтезировать рентгеноаморфные соединения. Последующее спекание при 700–900 градусов формирует у образцов слоистую структуру, аналогичную сложному оксиду иттербия и железа. Кристаллическая решетка образцов имеет ромбоэдрическую структуру. Параметры решетки зависят от состава и формы материала и достигают минимальных значений (a = 3,295 Å, c = 26,070 Å) при нагреве до 1450 градусов в течение 24 часов.

Микроскопические исследования показали, что полученные образцы представляют собой агломераты наночастиц, не имеющих специфической пространственной организации. На поверхности образцов расположены скопления частиц размером 20–30 нанометров, также имеются участки с более мелкими частицами. Следует отметить, что более детальные изображения были получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

«На сегодняшний день отсутствует обоснование применения тех или иных органических лигандов для синтеза золь-гель методом сложного оксида индия, галлия и цинка, — отметил Денис Винник, заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ. — Цель нашего исследования заключалась в поиске реагентов, позволяющих получать наночастицы данного оксида при минимальных температурах».

«Работая с глицерином, мы при 500 градусах 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, позволят целенаправленно выбирать органические реагенты для синтеза золь-гель методом сложного оксида индия, галлия и цинка, тем самым улучшая доступность технологий печати транзисторов за счет снижения энергозатрат.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ.