Знайдено спосіб підвищити енергоефективність технологій 3D-друку транзисторів.

Дослідження опубліковане в журналі Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. Журнал має Перший рівень національної системи ранжування наукових видань — Білого списку.

Ноутбуки, смартфони та інші складні пристрої містять безліч електронних компонентів, включаючи транзистори. Транзистори дозволяють перемикати окремі елементи електричного кола, а також підсилювати або перетворювати електричні сигнали, наприклад, у цифрову або звукову форму.

Перший транзистор розміром у сантиметр було виготовлено в 1947 році. Подальший розвиток технологій пішов шляхом мініатюризації пристроїв. Сучасні транзистори мають нанометрові розміри. Найдешевший та перспективний спосіб їх отримання — струйна тривимірна друк. Для друку потрібні спеціальні чорнила. По-перше, вони повинні бути в рідкому стані під час проходження через друкуючу головку принтера, а при нанесенні на підкладку швидко загустівати. По-друге, необхідно, щоб затверділа маса вибірково проводила струм, тобто була напівпровідником.

Для виконання цих вимог вчені МФТИ, СПбГУ, ЮУрГУ спільно з колегами з Таджикистану досліджували процес отримання складного оксиду індію, галію та цинку золь-гель методом. Реалізація такого методу передбачає спочатку синтез золя, потім його перетворення в гель з подальшою сушкою та термообробкою. Золем або колоїдним розчином називають рідину, в обсязі якої розподілені та можуть вільно рухатися наночастинки.

Загальновідомо, що індій, галій та цинк зв'язують з розчинів іони та молекули інших речовин, що називаються лігандами. Продуктами реакцій є різні комплекси, тобто сполуки, чий склад не можна пояснити теорією утворення хімічних зв'язків за рахунок спільних пар електронів. Склад і властивості комплексів залежать від умов проведення реакцій. Вчені вивчили ці залежності та визначили умови синтезу наночастинок, однорідних за складом і представлених нерозчинними комплексами вищезгаданих металів. Іншими словами, було отримано ряд золей при інтенсивному змішуванні в співвідношенні 1:3 водних розчинів солей металів та органічних речовин: лимонної та щавлевої кислоти, етиленгліколю, гліцерину, сечовини та сахарози.

Перехід із золя в гель здійснювався шляхом випарювання рідини, в ході якого наночастинки втратили рухливість і сформували просторовий каркас. Після чого у геля з'явилися властивості твердого тіла: відсутність текучості, збереження форми, міцність та пружність. Сушку гелю проводили 6–22 години, повільно підвищуючи температуру з 100 до 500 градусів. Потім висушений і змелений у порошок гель спікали при 700–1450 градусів протягом 12–24 годин і охолоджували на повітрі.

За допомогою рентгенофазового аналізу вчені визначили хімічний склад отриманих зразків, а їх поверхню вивчили методами скануючої та просвічуючої електронної мікроскопії. Різниця між методами в тому, що скануюча електронна мікроскопія призначена для реєстрації збільшеного зображення поверхні при відображенні від неї пучка електронів, а просвічуюча — при проходженні пучка електронів через зразок.

Встановлено, що використання етиленгліколю та гліцерину і сушіння при 500 градусах дозволяє синтезувати рентгеноаморфні сполуки. Подальше спікання при 700–900 градусах формує у зразків шарувату структуру, як у складного оксиду ітербію та заліза. Кристалічна решітка зразків — ромбічна. Параметри решітки залежать від складу та форми матеріалу і досягають найменших значень (a = 3,295 Å, c = 26,070 Å) в умовах нагріву до 1450 градусів протягом 24 годин.

Мікроскопічні дослідження показали, що отримані зразки є агломератами з наночастинок, які не мають специфічної просторової організації. На поверхні зразків розташовані скупчення частинок розміром 20–30 нанометрів, також є ділянки з більш дрібних частинок. Слід зазначити, що більш точні зображення були отримані за допомогою просвічуючої електронної мікроскопії.

«На сьогоднішній день відсутнє обґрунтування застосування тих чи інших органічних лігандів для синтезу золь-гель методом складного оксиду індію, галію та цинку, — сказав Денис Винник, завідувач лабораторією напівпровідникових оксидних матеріалів МФТИ. — Метою нашого дослідження був пошук реагентів, які дозволяють отримати наночастинки цього оксиду при найменших температурах».

«Працюючи з гліцерином, ми при 500 градусах синтезували наночастинки складного оксиду індію, галію та цинку, визначили тип і параметри кристалічної решітки цього оксиду», — додав Гліб Зірник, молодший науковий співробітник лабораторії функціональних оксидних матеріалів для мікроелектроніки МФТИ.

Результати, отримані науковою групою, дадуть можливість цілеспрямовано обирати органічні реагенти для синтезу золь-гель методом складного оксиду індію, галію та цинку, тим самим підвищать доступність технологій друку транзисторів завдяки зниженню енергозатрат.

Робота виконана за фінансової підтримки РНФ.