Ученые обнаружили свечение в уникальном диэлектрическом материале

11:17, 2 сентября 2022

Открытие поможет создавать электронные приборы будущего [фоторепортаж]

Ученые УрФУ исследовали люминесцентные свойства диоксида гафния — материала с высокой диэлектрической проницаемостью. Это соединение используется в микро- и наноэлектронной промышленности. Физики выяснили, что благодаря наличию экзотической квазичастицы в своем электронном строении, соединение демонстрирует интенсивную люминесценцию при экстремально низких температурах. Открытие поможет в создании электронных приборов будущего, в частности лазеров, оптических датчиков или биомедицинских сенсоров. Результаты работы представлены в Journal of Luminescence.

«Мы изучили температурное влияние на люминесцентные свойства наноструктурированного порошка диоксида гафния. Охладив соединение до 40 K (-233°С), мы зарегистрировали в соединении ультрафиолетовую люминесценцию, которая с охлаждением образца становилась ярче. Нам удалось построить модель, в которой описано, в какой момент в соединении образуется дополнительное свечение, как меняется и характеризуется интенсивность свечения. Эта модель может оказаться полезной при разработке высокочувствительных датчиков в современных оптоэлектронных устройствах или компактных биосенсоров для визуализации различных процессов», — отмечает младший научный сотрудник НОЦ «Нанотех» УрФУ Артем Шилов.

Ученые определили, что это свечение возникает в результате распада автолокализованного экситона — экзотической квазичастицы, состоящей из электрона и дырки, связанных между собой силой электростатического притяжения. Температура усиливает взаимодействие экситона с атомами кислорода в структуре соединения, и из-за этого меняются оптические свойства всего соединения.

«Эффективность практического применения диоксида гафния во многом зависит от различного рода дефектов, в том числе кислородных вакансий в его структуре. При разработке элементов наноэлектроники нового поколения эти структурные нарушения могут играть и положительную роль, меняя характеристики материала в нужном направлении. Мы установили, что из-за особенностей диоксида гафния экситон оказывается „привязан“ к определенному положению в кристаллической решетке, и из-за этого происходит усиление свечения», — добавляет Артем Шилов.

Диоксид гафния — это перспективный материал для наноэлектроники. Например, для компьютерных процессоров нового поколения с повышенной производительностью и уменьшенными микросхемами. Также диоксид гафния является перспективной основой для элементов памяти, которые будут работать на порядок быстрее сегодняшних флешек или твердотельных дисков. Ученые подчеркивают, что тщательное изучение обсуждаемых экситонных эффектов может способствовать усовершенствованию запоминающих мемристорных ячеек.

Исследование провели ученые наноцентра УрФУ и Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН при поддержке Минобрнауки РФ (проект FEUZ-2020-0059). Для изучения они использовали чистый диоксид гафния в виде порошка. Сейчас исследователи выясняют, как на свойства соединения влияет изменение формы. Они заменили порошкообразный материал на нанотрубки и уже нашли некоторые отличия в свойствах соединения.