Лаборатория полупроводниковых оксидных материалов

Разработка новых функциональных материалов: керамик, оксидных микро и нанопорошков с последующим изготовлением на их основе плёнок, покрытий и элементов электроники, в т.ч. печатной. В настоящее время актуальной остается задача повышения эффективности работы электронных устройств, в т.ч. повышения быстродействия, снижение энергоёмкости, уменьшения габаритов. Решением данных задач методами кремниевой технологии является усовершенствование оптической и электронно-лучевой литографии. Экономически и технологически обоснованной альтернативой служит реализация аддитивной печати элементов электроники. Существующие технологические приемы способны в качестве исходного материала таких элементов использовать порошки (сухая печать) и суспензии (мокрая печать). Первым шагом решения этой комплексной задачи следует выделить создание мелкодисперсных, в том числе наноразмерных, порошков функциональных материалов. Наибольшую научную новизну будут иметь полупроводниковые материалы указанного размера, перспективные для печати активных элементов электроники (например, транзисторы, диоды), а также элементов питания. Наиболее подходящим классом таких материалов является система InGaZnO. Кроме того, перспективными являются системы In-Sn-O, In-Zn-O, оксиды ZnO, In2O3, CuO, Cu2O, SnO). Для обеспечения возможности трансляции созданных фундаментальных результатов в направлении разработки перспективных полупроводниковых оксидных материалов в прикладные разработки в области печати активных элементов электроники следует достичь следующих характеристик материалов: средний размер созданных порошков - 150 нм; ширина запрещенной зоны – до 2,0 эВ; для мокрой печати время стабильного состояния суспензии - не менее 90 дней. В рамках предложенного проекта будет проведено изучение влияния морфологии и соотношения катионов на полупроводниковые характеристики созданных порошков InGaZnO, а также пригодность для применения в аддитивных технологиях таких порошков и суспензий на их основе. Кроме указанной системы InGaZnO на основе литературного обзора, а также имеющегося у коллектива лаборатории опыта и научного задела будут найдены и обоснованно отобраны и другие материалы, перспективные для создания активных элементов электроники устройств методами аддитивных технологий. Кроме указанных выше активных элементов внимание специалистов данной области направлено на создание сенсоров и элементов памяти методами печати. Как показывают проведенные исследования и данные аналитических обзоров перспективным материалом для элементов быстрой (ТГц) памяти являются твердые растворы на основе ферритов, в том числе со структурой магнетоплюмбита (AFe12O19) и шпинели (AFe2O4). Частичное или полное замещение катионов одной из подрешеток катионами с электрическими и магнитными свойствами, отличными от исходной матрицы, позволяет модифицировать характеристики данных материалов и настраивать их под требования конкретных приложений. Создание материалов с высокой энтропией смешения позволяет радикально изменять свойства таких материалов при сохранении типа исходной кристаллической структуры. Сочетание этих двух трендов (допирование/замещение и высокоэнтропийные материлы) позволяет создавать материалы с широким непрерывным рядом варьируемых характеристик. Так, авторы коллектива имеют опыт обеспечения варьирования температуры Кюри материалов от -50 до 800 ℃, что востребовано в настоящее время при разработке самокалибрующегося датчика температуры. Сочетание комплекса свойств данных материалов (в первую очередь, электрических и магнитных) даёт возможность их настройки уже в готовом изделии путем приложения внешнего магнитного или электрического поля. Наиболее остро потребность в таких настраиваемых материалах испытывают области электроники, в которых необходимо решать задачи по генерации, преобразованию или поглощению электромагнитных волн. Примерами таких приложений могут служить информационно-телекоммуникационные системы (связь наземная и космическая, радиолокация, радионавигация), элементы новой электронной компонентной базы для терагерцового, субтерагерцового, СВЧ и КВЧ диапазонов (фильтры, фазовращатели, вентили, генераторы), устройства радиофотоники, индуктивные датчики положения и др.. В рамках данного проекта будут отработаны физико-химические параметры, обеспечивающие получение вышеуказанных материалов; будут разработаны рекомендации по масштабированию этих методик и отработаны технологические основы производства таких материалов с заданными химическим составом, морфологией, структурой и свойствами. В рамках предложенного проекта будет создан комплекс экспериментального оборудования, обеспечивающий получение оксидных полупроводниковых материалов в виде формованных керамик (заготовки для «сухой» 3D печати, мишеней), микро и нанопорошков, суспензий, в перспективе – плёнок. Будут разработаны оксидные магнитные твердые растворы на основе ферритов со структурой магнетоплюмбита, перовскита и шпинели с модифицированными характеристиками.