Металлооксидлар асосидаги электрон қурилмалар ишлаб чиқариш

Металлооксидлар асосидаги электрон қурилмалар ишлаб чиқариш
Асосий металлоксидли яримўтказгичлар (SnO₂, ZnO, TiO₂ ва бошқалар) кенг таъқиқланган соҳага (~ 3 эВ) эга ва оптик спектрнинг кўринадиган доирасида шаффофдир. Шунинг учун улар шаффоф яримўтказгичли қурилмаларни (диодлар, транзисторлар, интеграл микросхемалар ва бошқалар) ишлаб чиқариш учун ишлатилиши мумкин. Шу асосида йигирманчи асрнинг охирларида янги илмий ва техник йўналиш – шаффоф ва эгилувчан электроника пайдо бўлди, бу экран панеллари, шаффоф дисплейлар, эгилувчан электрон қурилмалар, қуёш панеллари ва телевизорлар каби шаффоф электрон қурилмаларни ишлаб чиқариш имконини берди [67; 30-34 бб.]. Самсунг компанияси бир вақтнинг ўзида хонага дераза бўлиб хизмат қилиши мумкин бўлган тўлиқ шаффоф телевизорни, ҳамда эгилувчан дисплейли смартфонларни намойиш этди. Кўплаб автомобил ишлаб чиқарувчи компанияларда эса мошинанинг олд ойнасида тезликни, харорат, соат каби функсияларни кўрсатувчи шаффоф дисплей хосил қилинди.
Замонавий технологияда юпқа металлоксидли қатламларини қўлланилиш доирасини кенгайтириш ва такомиллаштириш пластмасса, керамика, ойна, қоғоз ва мато юзасида электрон маҳсулотлар ишлаб чиқариш имконини берди. Ушбу тенденция мослашувчан электроника деб номланади ва мослашувчан электроника асосида маҳсулотларини эгиш, буклаш ва таҳлаш мумкин эканлиги кўрсатилди. Масалан, смартфон ёки дисплейни кийимингизнинг юзасида акс эттиришингиз мумкин. Бугунги кунда мослашувчан электроника маҳсулотларининг лаборатория намуналари дунё бўйлаб жадаллик билан тарқалмоқда.
Турли хил керамик материаллар электрон саноатида диэлектрик, интеграл схемали корпуслар, керамик тагликлар сифатида кенг қўлланилмоқда. Уларнинг барчаси SnO₂. ZnO, TiO₂, Al₂O₃, SiO₂ ва бошқа металлооксидли материаллардан ташкил топган. Улар соҳавий тузилиши нуқтаи назаридан диэлектриклар ёки кенг соҳали ярим ўтказгичлардир. Юпқа, шаффоф яримўтказгичли қатламларининг аксарияти синтез жараёнида кислород танқислиги туфайли n -тур ўтказувчанликка эга бўлади [68; 216-289 бб.]. Юпқа қатламлар, кўпинча, поликристалл шаклида қўлланилади, шунинг учун субкристалитлар, яъни блок чегараларида сочилиши сабабли улардаги эркин заряд ташувчиларнинг ҳаракатчанлиги паст ва бирдан ўнгача см²/В·с оралиқда бўлади. Деярли, барча металл оксидлари юқори эриш нуқтаси, механик куч ва кимёвий қаршилиги билан ажралиб туради, гидроксид ва кислоталарда эримайди [69; 102-108 бб.].
ZnO монокристали вюрцит тузилишли ва пьезоэлектрик хусусиятларга эга. Золь-гель технологиялари ва махсус прекурсорлардан фойдаланган ҳолда ёки ядроларда гидротермал синтез ёрдамида кристалл панжаранинг c ўқи бўйлаб ўсаётган ZnO битта кристалларининг устунларини ёки ҳатто наносимларини олиш мумкин [70; 531 б.]. Пьезоэлектрик эффект туфайли наноустунларнинг деформацияси потенциал фарқга олиб келади ва улар ёрдамида пьезоэлементлар олиш мумкин [71; 1223 б.].
Жумадан [71; 1223 б.] тадқиқот иши муаллифлари p-тур ўтказувчанликка эга бўлган ZnO пленкалари олини, уларнинг сиртида ZnO улардан ҳосил бўлган наноустунлари тизимидан фойдаланиб, пьезоэлектрик наногенераторни ишлаб чиқарилиши тўғрисида маълумот берилган (1.3.1-расм). Фосфорга асосланган ZnO наноустунлари легирланиш манбаи сифатида Zn₃P₂ дан фойдаланган ҳолда (001) кристаллографик ориентацияли кремний монокристалл таглигига термал буғ ҳосил қилиш орқали ўстирилган.
1.3.2-расмда p-ZnO наноустунларига асосланган пьезоэлектрик генераторнинг схемаси келтирилган, улар атомий куч микроскопининг игнаси билан деформация қилинганида, битта деформация билан 50 мВдан 90 мВгача мусбат потенциал пайдо бўлиши кузатилган. Таглик юзасидаги наноустунларнинг ўлчамлари: d = 25 нм, l = 600 нм, микроскоп учининг ҳисобланган ўлчами ƒ = 80 нм.

1.3.1-расм. ZnO наноустунларига асосланган пьезоэлектр генераторининг диаграммаси [71; 1223 б.].

n-ZnO асосидаги пъезоэлектр генераторида бўлгани каби қийматлари (қалинлиги, узунлиги) n-ZnO наноустунлари оиласига асосланган шунга ўхшаш қурилма манфий потенциал кучланишини беради ва унинг қиймати n-ZnO дан фойдаланган пьезоэлектр генератори ҳолатига қараганда (- 5 дан 10 мВ гача) анча паст бўлади. Шундай қилиб, пьезопотенциал белгиси ZnO ўтказувчанлик турига боғлиқ. Пьезоэлектр генераторларининг қийматларини ҳисоблаш тафсилотлари [71; 1223 б.] да келтирилган. ZnO наноустунларга асосланган пьезогенераторлар тизими Harvester дейилади.
ZnO и SnO₂ яримўтказгичлари ёруғлик чиқарувчи қурилмалар ишлаб чиқариш учун қулай ҳисобланади. Масалан, ZnO да ортиқча электронлар ва коваклар электр ўтказувчанлиги ва валент соҳаларининг четидан 60 мэВ энергия билан боғланган экситонларни ҳосил қилади, шунинг учун ёруғлик чиқарувчи диодларнинг барқарор ишлаши учун зарур бўлган хона ҳароратида самарали рекомбинация кузатилади.
Ёруғлик чиқарувчи диодларга асосланган тузилмалар тўғрисидаги дастлабки экспериментал маълумот молекуляр нурли эпитаксия усулида Al₂O₃ сапфирига p-ZnO/n-ZnO p-n ўтишли ёруғлик диодлари 2006 йилда ўстирилган [72; 319 б.]. ZnO ни легирлаб p-тип ўтказувчанлигини олиш учун азот ишлатилган. 200 К да ёруғлик диоди иккита 430 нм ва 540 нм диапазонда нур чиқаради. Бугунги кунга келиб, турли хил технологик усуллар билан ёруғлик диодларини тузилмаларини ишлаб чиқарилиб ва ультрабинафшадан қизил нургача нурланиш соҳасида ишлаш имкониятлари келтирилаган илмий адабиётлар чоп этилган. p-ZnO олиш учун N, S, Sb, As киришмалари ишлатилган.

1.3.2-расм. Атом кучи микроскопи ёрдамида p-ZnO наноустунларини деформациялашда пьезо-ЭДСни пайдо бўлиши диаграммаси [71; 1223 б.].

[73; 548 б.] ишда хона ҳароратида ультрабинафша ва ёруғликнинг кўзга кўринадиган соҳаларида чиқарадиган ёруғлик тасвирланган. n - p-ZnO(N)/n-ZnO(Сa) тузилма сапфирли тагликда металлорганик бирикмаларининг буғи бирикиши орқали ҳосил қилинган. Гетероўтказувчан тузилмали ёруғлик диодларни ишлаб чиқариш ва ўрганиш натижаларини ўз ичига олган нашрлар мавжуд [74; 251 б; 75; 135 б.]. Масалан, [74; 251 б.] n-Si сиртидаги молекуляр нур эпитаксия усилида, легирланмаган ZnO буфер қатламида сурьма билан легирланган p-ZnO қатлами ўстирилди. Гетеротузилма хона ҳароратида ва турли инжекция токларида олинган электролюминеценция спектрининг УБ (400 нм) дан ва барча кўзга кўринадиган диапазондаги максимум даражаси қизил нур соҳаси яқинига (600 нм) жойлашган кенг спектрни эгаллайди. Ушбу натижа оқ рангли ёруғлик диодлари учун фойдали бўлиши мумкин.Элементларнинг юқори боғловчи энергиясига эга ZnO, хона ҳароратида юқори самарали ультрабинафша нур соҳасида ишлайдиган лазерларни ишлаб чиқариш учун истиқболли материалдир. ZnO асосидаги оптик дамловчи лазерлар наноустунлар, олти бурчакли наноиплар ва юпқа юпқа пардалар ёрдамида ишлаб чиқилган. Кремний таглигига ёруғлик диодлари асосидаги УБ лазер ишлаб чиқилган [76; 506 б.], p-ZnO(Sb)/n-ZnO(Ca) ўтиши ҳосил қилиниб, MgZnO/ZnO/MgZnO квант қатламлари ҳосил бўлиши аниқланган. 1.3.3-расмда кўрсатилгандек, барча эпитаксиал қатламлар (100) n-Si юзасида молекуляр нур эпитаксияси томонидан ўстирилди.

1.3.3-расм. p-n-ўтиш соҳасида квант деворли молекуляр нурли эпитаксия усулида ҳосил қилинган лазер тузилиши [76; 506 б.].

n-ZnO юпқа қатлами ва p-ZnO(Sb) наноустунларига асосланган лазерли тузилмалар [77; 158–163 бб.] адабиёт муаллифлар жамоаси томонидан тайёрланган ва ўрганилган. Хона ҳароратида оптик дамлаш остида лазер спектри кузатилди. Оптик дамлаш қуввати 400 кВт/см² ташкил этади.
Ҳозирги вақтда қуёш элементлари учун асосий материал – таъқиқланган соҳа кенглиги тахминан 1 эв га тенг кремний ташкил этади. Кремний батареяларнинг самарадорлиги чекланган, улар қуёш нурларининг кенг спектрининг кўринадиган ва инфрақизил диапазонининг фақат бир қисмини электр энергиясига айлантиради. Қуёш спектрининг кўк ва бинафша қисмларидан келадиган ёруғлик кремний орқали электр энергиясига айланмайди. ZnO ва SnO₂ металл оксидлари диапазонининг оралиғи 3 эВ дан ошади ва қуёш спектрининг бинафша ва ултрабинафша қисмларининг нурини яхши қабул қилади. Кремнийли қуёш батареяси юзасига ZnO ва SnO₂ n-типли юпқа плёнкани олиш орқали кремнийдаги p-n ўтишга асосланган фотоволтаик қурилма ёрдамида қуёш энергиясини электр энергиясига айлантириш самарадорлигини ошириш мумкин. Натижада қуёш энергиясини спектрнинг ултрабинафша ва бинафша соҳаларига айлантириш диапазонини кенгайтирадиган ва қуёш нурланишини электр энергиясига айлантириш самарадорлигини оширувчи "оптик ойна" (изотопли гатеротузилма) ҳосил бўлади. Бундан ташқари, кремний юзасида n-ZnO ва n-SnO₂ плёнкалари нурни қайтариш хусусиятига эга ва кремний юзасидан нурнинг акс эттириш коэффициэнтини пасайтиради, чунки Si нинг синиш кўрсаткичи тахминан 3,5 га тенг ва ZnO ва SnO₂ нинг синиш кўрсаткичи одатда 2.1 дан ошмаслиги керак. Бундай ҳолда, кремнийли қуёш батареясининг самарадорлигини деярли 5% га ошириш мумкин [15]. Ҳар хил усуллар билан олинган n-ZnO / p-Si ва p-Zn / n-Si гетеротузилмалари [16, 17] қоронғуда яхши ректификацион хусусиятларга эга бўлган ток кучланиш хусусиятларини намойиш этади. Тузилмалар оқ нурли ёритишга сезгир, айниқса уларнинг тескари шохчаси, улар ёрдамида кўринадиган ва УБ нурларини бошқариш мумкин. Шу билан бирга, қуёш батареяларининг эркин кучланиш ва қисқа туташув токи каби характеристикалари жуда кичикдир, эҳтимол бу кремний юзасида қолдиқ оксиди борлиги, панжара мос келмаслиги ва нуқсонли юзалар, бу ёруғлик чиқарадиган заряд ташувчиларнинг ажралишига тўсқинлик қилади.