Физики научились управлять дефектами оксида цинка

13:36, 13 июля 2023

Это позволит улучшать работу электронно-оптических приборов

Кристаллическая структура оксида цинка. Иллюстрация: Алексей Кислов.

Ученые Уральского федерального университета изучили структуру дефектов оксида цинка и поняли, как улучшить его свойства. Полученная информация и созданная на этой основе технология позволит укрепить технологическое развитие российских предприятий и повысить качество работы и срок службы приборов (смартфоны, компьютеры, телевизоры и др.), так как оксид цинка обладает хорошим сочетанием электронных, оптических и теплофизических свойств и применяется в оптоэлектронике. Например, из него можно производить чипы и микропроцессоры. Результаты исследования опубликованы в Physical Chemistry Chemical Physics. Проект осуществлен при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ по программе «Приоритет-2030».

Оксид цинка является кристаллическим веществом, обладает рядом уникальных характеристик, что делает его важным в производстве опто- и микроэлектроники. Природной особенностью данного материала является наличие дефектов — кислородных вакансий. Это означает, что в некоторых частях микроструктуры вещества отсутствует атом кислорода. Зная, как влияют эти дефекты на определенные свойства, можно ими управлять и таким образом повысить эффективность применения оксида цинка на практике.

«Кислородные вакансии в зависимости от количества электронов, захваченных на этих дефектах, могут находиться в разных зарядовых состояниях — нейтральном и положительно заряженном. Каждое состояние имеет определенное влияние на структуру кристаллической решетки, окружающей данный дефект, на особенности поведения близлежащих атомов, и, в конечном счете, на весь комплекс практически важных свойств. Понимание природы и структурно-энергетического состояния дефектов, микроскопических механизмов физических процессов с их участием позволяют надежно прогнозировать функциональные свойства кристаллов, управлять ими и, в конечном счете, обеспечивать их эффективное технологическое применение при создании новых фотонных и электронных устройств различного назначения», — поясняет профессор кафедры физических методов и приборов контроля качества УрФУ Анатолий Зацепин.

Свойства кристаллов оксида цинка можно улучшить методами радиационных технологий, либо посредством легирования, то есть добавлением различных примесей в исходное вещество. По словам ученых, природные дефекты оксида цинка также могут быть использованы в качестве усиления его качеств, например тепло- и электропроводности. Подбор нужной микроструктуры с учетом влияния дефектов значительно улучшит работу полупроводниковых компонентов и снизит потери полезного сигнала.

«Оксид цинка за счет варьирования дефектности может очень сильно менять весь комплекс физических свойств. Сами дефекты имеют различную микроструктуру, концентрацию и энергетическое состояние, от чего зависит колебательное движение атомов решетки — оно может быть как полезным, так и вредным — в зависимости от того, для какого типа прибора мы используем данный материал. Чтобы повысить эффективность и долговечность работы того или иного прибора, следует подобрать определенный тип заряженного или нейтрального дефекта в нужной структуре кристаллической решетки материала», — комментирует профессор кафедры теоретической физики и прикладной математики УрФУ Алексей Кислов.

Для проведения исследования ученые использовали комбинацию методов компьютерного моделирования, создав идеальный, бездефектный кристалл оксида цинка. Затем физики искусственно удалили атом кислорода из кристаллической решетки вещества. В результате электроны, окружающие кислородную вакансию, стали менять закономерности своего поведения. Теория и эксперименты показывают, что, варьируя зарядовое состояние вакансии, можно получить кристалл с заданными тепловыми, электронными и оптическими характеристиками.

В ближайшем будущем ученые продолжат исследования. Физики проведут экспериментальные работы, посвященные изучению дефектов оксида цинка в аморфно-кристаллическом, тонкопленочном и наноструктурном состояниях.

Справка

Оксид цинка — это кристаллическое вещество, которое часто применяется в качестве широкозонного полупроводника. Благодаря уникальным электронным, магнитным и оптическим свойствам, оксид цинка широко применяется в микро- и оптоэлектронике. Он играет важную роль в производстве светодиодов, лазерных диодов, сенсоров, солнечных батарей и др. Высокий спрос на данный материал отмечается и в фармацевтической промышленности, например, его применяют в создании зубной пасты и солнцезащитного крема. Оксид цинка может иметь форму в виде твердого кристалла, пленки, порошка и др. В природе такой материал встречается очень редко; в основном его производят на специализированных промышленных предприятиях, которые выращивают данные кристаллы.

Сергей Лукьянченко