Projekti / Programi
Oksidne pasivne in aktivne komponente za transparentno elektroniko
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P250 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: struktura, termične in mehanske lastnosti, kristalografija, fazno ravnovesje |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
transparentni prevodni oksidi, dielektriki, tanke plasti, oblikovanje struktur, transparentna elektronika
Raziskovalci (19)
Organizacije (2)
Povzetek
Transparentna elektronika za vsakdanjo uporabo naj bi vsebovala prozorna elektronska vezja in povezave na prozornih in včasih celo upogljivih nosilcih. Transparentni prevodni oksidi (Transparent Conductive Oxides, TCO) so materiali, ki imajo dve, običajno nasprotujoči lastnosti: dovolj veliko električno prevodnost in veliko optično prepustnost v vidnem delu svetlobnega spektra. Transparentne elektronske komponente na steklenih podlagah, kot na primer prozorne kondenzatorje ali prozorne tankoplastne tranzistorje (Thin Film Transistors, TFT) običajno izdelujejo z nanosom v parni fazi in nadaljnjim oblikovanjem komponent z litografijo. V amorfnih plasteh, pripravljenih s fizikalnimi metodami nanosa pri temperaturah okrog 200/250 oC, je mobilnost nosilcev naboja dovolj velika in včasih celo primerljiva z vrednostmi, ki so značilne za kristalinične plasti, zaradi česar je čedalje več raziskav usmerjenih v nizkotemperaturno pripravo prevodnih oksidnih plasti. Poleg nanosa iz parne faze se čedalje bolj uveljavlja priprava plasti s sintezo iz raztopin, ki omogoča hitro spreminjanje sestave materialov in je v primerjavi s fizikalnimi metodami nanosa cenovno ugodnejša.
Namen projekta je izdelati transparentne elektronske komponente in sicer kondenzatorje in tankoplastne tranzistorje s sintezo iz raztopine. Poleg priprave plasti prevodnih oksidov in dielektrikov iz raztopine z metodo vrtenja se bomo osredotočili na direktno oblikovanje izbranih struktur s tiskanjem (ink-jet printing). Tako se bomo izognili stopnjam litografije in jedkanja. Nadalje je naš namen povezati kemijsko sestavo in pogoje priprave, kemijsko in fazno sestavo, mikrostrukturo ter električne in optične lastnosti.
Materiali, ki jih bomo raziskovali, so polprevodniki n-tipa, pri čemer se bomo osredotočili na sestave na osnovi ZnO ali ZnO-SnO2, ki ne vsebujejo redkega in izjemno dragega indija. Materiale na osnovi ZnO-In2O3 ali ZnO-In2O3-Ga2O3, ki so trenutno najbolj razširjeni, bomo pripravili kot referenco. Skupina materialov, ki so sestavni del transparentnih komponent, so dielektriki s primerno veliko dielektričnostjo. V projektu se bomo osredotočili na okside na osnovi Ta2O5-SiO2-Al2O3, ki imajo poleg dovolj velike optične prepustnosti tudi primerno veliko dielektričnost v amorfni fazi.
Reagente in pogoje sinteze tekočih prekurzorjev bomo načrtovali tako, da bomo dosegli čim večjo stopnjo homogenosti v raztopinah. Pri izboru ligandov in topil za nanašanje plasti z vrtenjem in za tiskanje je potrebno upoštevati, da morajo imeti raztopine za posamezno metodo priprave različne lastnosti. Prve morajo imeti nizko viskoznost (nekaj mPa s) in nizek omakalni kot na izbrani podlagi, medtem ko morajo imeti tekočine za tiskanje nekajkrat večjo viskoznost (10 - 12 mPa.s), površinsko napetost med 28 – 32 mN/m in dovolj velik omakalni kot, da ohranijo izbrani vzorec na podlagi.
Tako pri pripravi plasti z vrtenjem kot pri tiskanju bomo raziskovali program nanosa raztopine na podlago, stopnje sušenja in žganja in atmosfero, saj kritično vplivajo na zgoščevanje plasti ali strukture in posledično na njihove funkcijske lastnosti. Plastem dielektrikov in prevodnih oksidov, ki jih bomo pripravili z metodo vrtenja, bomo določili fazno sestavo, analizirali bomo mikrostrukturo, optično prepustnost in izbrane električne lastnosti.
V zadnjem delu projekta se bomo posvetili izdelavi transparentnih elektronskih komponent, in sicer kondenzatorja in tankoplastnega tranzistorja. Zvezne plasti bomo pripravljali z metodo nanašanja z vrtenjem in diskretne 2D strukture s tiskanjem. Določili bomo pogoje priprave komponent, pri čemer nam bo kriterij doseči primerne vrednosti tako optičnih kot izbranih električnih lastnosti. Poleg analize posameznih sestavnih delov komponent se bomo osredotočili na analizo medpovršin. Meritve optične prepustnosti in izbranih električnih lastnosti bodo osnova za optimizacijo pogojev priprave transparentnih elektronskih komponent.
Pomen za razvoj znanosti
Transparentna elektronika predstavlja novo področje raziskav in tehnologij, ki temeljijo na prevodnih oksidih s primerno velikim prepovedanim pasom in dovolj veliko mobilnostjo nosilcev naboja in omogočajo izvedbo prozornih elektronskih komponent, na primer tankoplastnih tranzistorjev, česar s silicijevo tehnologijo ne moremo doseči. Tudi dielektriki morajo izkazovati primerno veliko dielektričnost in optično prepustnost. Glede na to, da je običajno podlaga steklo, so procesne temperature nizke, običajno pod 500 oC. Področje je novo in se intenzivno razvija. Projekt je prispeval k znanju o pripravi komponent transparentne elektronike iz raztopin, predvsem plasti in 2D struktur dielektrikov na osnovi tantalovega oksida. Sestava raztopine za pripravo tankih plasti, nanašanje na podlago in program segrevanja so bili načrtovani tako, da so omogočili odstranjevanje funkcionalnih skupin pri nizkih temperaturah, zgoščevanje plasti in primerne električne lastnosti, primerljive z vrednostmi, značilnimi za plasti, pripravljenimi z nanosom iz parne faze. Plasti na osnovi tantalovega oksida, pripravljene pri temperaturah, ki niso presegale 400 oC, so izkazovale dobre funkcijske lastnosti za transparentne pasivne in aktivne komponente. Reološke lastnosti raztopin kovinskih prekurzorjev smo prilagodili pogojem brizgalnega tiskanja s piezoelektričnim tiskalnikom. Parametre tiskanja in pogoje segrevanja pri temperaturah, ki niso presegle 350 oC, smo optimizirali za tisk enakomernih plastnih struktur z dobrimi električnimi lastnostmi. Izdelali smo kondenzatorje na steklenih podlagah z električnimi lastnostmi, primerljivimi lastnostim kondenzatorjev, pripravljenih z metodo vrtenja. Za razvoj transparentnih tankoplastnih tranzistorjev potrebujemo kvalitetne amorfne dielektrike z veliko dielektričnostjo, pripravljene na steklenih podlagah pri nizkih temperaturah. Raziskali smo vpliv temperature segrevanja na strukturo, mikrostrukturo, optične in električne lastnosti tankih plasti na osnovi tantalovega oksida. Z njihov integracijo v tranzistorje, ki so izkazali razmerje vklop /izklop večjim od 10^8, smo potrdili njihovo primernost za uporabo v aktivnih elektronskih komponentah.
Pomen za razvoj Slovenije
Raziskave na področju transparentne elektronike so v veliki meri odvisne od aplikacij. Upogljive transparentne elektronske komponente in naprave za vsakdanjo uporabo vsebujejo tako pasivne kot aktivne komponente na osnovi prevodnih oksidov in dielektrikov z veliko dielektričnostjo in veliko optično prepustnostjo, ki jih večinoma izdelujejo s fizikalnimi metodami nanosa iz parne faze in oblikujejo z litografijo. Priprava plastnih struktur iz raztopin je v primerjavi z metodami nanosa iz parne faze cenovno ugodna, omogoča hitro spreminjanje kemijske sestave plasti in posledično njihovih lastnosti. V projektu smo raziskali pripravo tankoplastnih komponent transparentne elektronike iz raztopin, pri čemer smo raztopine nanesli na podlage z metodo vrtenja ali pa smo direktno oblikovali izbrane strukture z brizgalnim tiskanjem. Slednje je učinkovita tehnologija oblikovanja struktur skoraj brez ostankov in je po našem mnenju zelo zanimiva za prenos v industrijo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
