Ученые МФТИ нашли способ повысить энергоэффективность 3D-печати транзисторов

Сотрудники лаборатории полупроводниковых оксидных материалов Московского физико-технического института создали материалы на основе полупроводника — сложного оксида индия, галлия и цинка. Поиск реагентов для низкотемпературного синтеза показал, что использование глицерина и нагрев до 500°С обеспечивают формирование частиц этого материала размером не более тридцати нанометров. Результаты открывают возможность повышения доступности технологий 3D-печати транзисторов благодаря снижению энергозатрат.

Первый транзистор размером в сантиметр изготовлен в 1947 году, дальнейшее развитие технологий пошло по пути миниатюризации устройств. Современные транзисторы имеют нанометровые размеры. Один из наиболее перспективных способов получения транзисторов — струйная 3D-печать, требующая специальных чернил. Чернила должны находиться в жидком состоянии при прохождении через головку 3D-принтера, а при нанесении на подложку быстро загустевать. Затвердевшая масса должна избирательно проводить ток, то есть служить полупроводником.

Ученые МФТИ, Санкт-Петербургского государственного университета и Южно-Уральского государственного университета совместно с коллегами из Таджикистана исследовали процесс получения сложного оксида индия, галлия и цинка золь-гель методом, сообщает университетский журнал «За науку». Реализация такого метода предполагает сначала синтез золя, затем его превращение в гель с последующим просушиванием и термообработкой. Золем или коллоидным раствором называют жидкость, в объеме которой распределены и могут свободно двигаться наночастицы.

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, 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 теряли подвижность и формировали пространственные каркасы. После этого у геля появлялись свойства твердого тела — отсутствие текучести, сохранение формы, прочность и упругость. Просушивание геля проводили в течение шести-двадцати двух часов с медленным повышением температуру со 100°С до 500°С. Затем высушенный и измельченный в порошок гель спекали при 700-1450°С в течение двенадцати-двадцати четырех 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 просушивание при 500°С позволяет синтезировать рентгеноаморфные соединения. Последующее спекание при 700-900°С формирует у образцов слоистую структуру, как у сложного оксида иттербия и железа. 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°С в течение двадцати четырех часов.

Микроскопические исследования показали, что полученные образцы представляют собой агломераты из наночастиц, не имеющих специфической пространственной организации. На поверхностях образцов расположены скопления частиц размером 20-30 нм, также есть участки из более мелких частиц.

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

Полученные результаты дают возможность целенаправленно выбирать органические реагенты для синтеза золь-гель методом сложного оксида индия, галлия и цинка, тем самым повышая доступность технологий 3D-печати транзисторов благодаря снижению энергозатрат.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 

Источник: https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/ucenye-mfti-nasli-sposob-povysit-energoeffektivnost-3d-pecati-tranzistorov