Naukowcy z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki i Uniwersytetu Warszawskiego startują z ambitnym projektem mającym na celu opracowanie nowych przezroczystych i przewodzących materiałów. Będą one mogły zastąpić tlenek indowo-cynowy, stosowany obecnie w większości urządzeń z ekranem dotykowym.
Przezroczyste elektrody znajdują się w każdym urządzeniu z ekranem dotykowym. Nowo opracowywane materiały mają zachować cenne właściwości tlenku indowo-cynowego, takie jak wysoka przezroczystość i przewodność elektryczna. Elektrody muszą być nie tylko przezroczyste, aby użytkownicy mogli widzieć obraz na ekranie, ale również przewodzące elektryczność, aby efektywnie rejestrować dotyk. Przezroczystość jest kluczowa dla jasności i klarowności obrazu, podczas gdy przewodność jest niezbędna do szybkiego i dokładnego rejestrowania dotyku użytkownika.
Badania skupią się na opracowaniu materiałów przezroczystych i przewodzących o nowej nanostrukturze nanocząstkach metali w amorficznej osnowie tlenku krzemu. Dotychczas były one badane i wykorzystywane jako bariery zapobiegające dyfuzji metali w strukturach kontaktów elektrycznych do przyrządów wysokiej mocy. Stabilność ta wynika z obecności tlenku krzemu, który jest materiałem stabilnym nawet w podwyższonych temperaturach wynikających z wysokich natężeń prądów występujących w takich przyrządach. Niestety, obecnie znane są jedynie materiały M-Si-O zawierające metale szlachetne, jak ruten czy iryd, co ma przełożenie na wysoki koszt ich wytwarzania. Przewidywania teoretyczne wskazują również możliwość wytworzenia materiałów typu M-Si-O z udziałem bardziej powszechnych metali, do czego dążyć będą badacze.
Zaawansowane metody badawcze
Struktura zespołu projektowego umożliwi szeroko zakrojone prace. W szczególności będą one obejmować:
Działania te pozwolą na wytworzenie uogólnionego opisu grupy M-Si-O i sformułowanie reguł wyboru pierwiastków dla wytworzenia materiałów M-Si-O o określonych własnościach aż do opracowania optymalnego modelu materiałów tego typu.
Dzięki technice magnetronowego rozpylania katodowego, w której się specjalizujemy, możemy tworzyć cienkie warstwy złożonych materiałów bez konieczności syntezy nanocząstek i mieszania ich z SiO2. Do tej pory był to bardzo skomplikowany i długi proces. Teraz zostanie on znacznie uproszczony – wyjaśnia dr hab. Michał Borysiewicz z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki.
Co szczególnie ważne, mikrostruktura nowych materiałów zostanie zobrazowana z zastosowaniem tomografii sondą atomową (APT). Metoda ta umożliwia wytworzenie trójwymiarowych obrazów wnętrza materiału z rozdzielczością atomową i jest nieodzowna dla zrozumienia własności materiałów takich, jak M-Si-O, gdzie w osnowie jednego materiału występują nanocząstki innego. Dokładne opisanie powierzchni nanocząstek pozwoli na opracowanie realistycznego opisu mechanizmów przepływu prądu w materiałach M-Si-O. W Polsce nie ma urządzenia do pomiarów APT, dlatego nasi naukowcy będą w tym zakresie współpracować z Karlsruhe Institut für Technologie.
Ponieważ badane materiały są przewodzące, a ich struktura bardzo nietypowa, w projekcie prowadzone będą zaawansowane pomiary własności transportu elektronowego. Działaniami tymi pokieruje dr hab. Marta Gryglas-Borysiewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ekspertka od pomiarów transportu „trudnych” materiałów. Wyniki badań strukturalnych i transportowych stanowić będą wkład do prac obliczeniowych prowadzonych przez prof. Jacka Majewskiego z Wydziału Fizyki UW. Ich celem jest określenie mechanizmu transportu zarówno w samym materiale jak i przez M-Si-O/półprzewodnik, co jest kluczowe dla zastosowania tych materiałów jako przezroczystych elektrod.
Priorytetem etyka i ekologia
Tlenek indowo-cynowy jest standardowym materiałem stosowanym dziś w ekranach dotykowych, ale jego produkcja wiąże się z etycznymi i środowiskowymi problemami związanymi z wydobyciem indu. Dlatego szukamy tańszych i mniej problematycznych metali, które mogłyby zastąpić ind w przezroczystych elektrodach w ekranach dotykowych dzięki nanotechnologii. Ważną motywacją do podjęcia projektu jest, oprócz chęci rozwoju nowych technologii, wymiar społeczny i środowiskowy związany z wydobyciem indu.
Chcemy stworzyć materiał, który jest nie tylko wydajniejszy, ale także bardziej odpowiedzialny społecznie i przyjazny dla środowiska – wyjaśnia dr hab. Michał Borysiewicz. – Przezroczyste elektrody są nieodzowne w każdym urządzeniu z ekranem dotykowym i nasze badania mogą znacząco wpłynąć na całą branżę – podkreśla.
Realizacja projektu rozpocznie się jesienią tego roku.
MK, źródło: IMiF