Дагестанские ученые получили тонкие пленки оксида цинка для пьезоэлектроники

Ученые Дагестанского государственного университета (ДГУ) разработали технологию получения тонких пленок оксида цинка (ZnO), в которых кристаллиты ориентированы строго перпендикулярно подложке. Для области пьезоэлектроники это особенно важно: именно такая структура позволяет максимально эффективно преобразовывать механические колебания в электрический сигнал и наоборот.

Оксид цинка — материал, который изучают уже многие десятилетия. Интерес к нему не случаен. Это — прозрачный, сравнительно недорогой, нетоксичный полупроводник с ценным набором полезных свойств: он хорошо работает в пьезоэлектронных и акустооптических устройствах, устойчив к радиации, совместим с тонкопленочными технологиями.

Поэтому оксид цинка рассматривается как один из наиболее перспективных материалов для высокочастотных фильтров и резонаторов, датчиков, сенсоров, элементов беспроводной связи, а также акустооптических модуляторов и дефлекторов, управляющих лазерным излучением. Такие устройства востребованы, в частности, в телекоммуникациях, системах 5G и 6G, сенсорике, микроэлектромеханических системах и фотонике.

Однако эффективному использованию оксида цинка долгое время препятствовала фундаментальная технологическая проблема: если пленка растет на аморфной подложке, например, на широко используемой структуре SiO₂/Si, то кристаллиты ориентируются неидеально. Для пьезоэлектронных устройств это означает прямые потери в эффективности: чем сильнее разориентированы кристаллиты, тем хуже материал выполняет свою функцию. Поэтому на протяжении десятилетий исследователи по всему миру пытались уменьшить эту разориентацию, но достигали лишь некоторого предела, полностью устранить ее не удавалось.

Ученые ДГУ доказали, что можно вырастить пленки ZnO на аморфной подложке так, что оси кристаллитов оказываются направлены строго вертикально, то есть перпендикулярно поверхности. Иначе говоря, удалось реализовать предельный случай: нулевую аксиальную разориентацию кристаллитов. Именно такой вариант структуры является идеальным для пьезоэлектронных приложений. Кроме того, авторы получили очень высокое структурное совершенство пленок и показали возможность их роста с высокой скоростью без потери качества.

«Мы гордимся, что фундаментальная наука на нашем физико-техническом факультете решает реальные технологические задачи. Это важный шаг в повышении конкурентоспособности отечественной пьезоэлектроники», — подчеркнул ректор ДГУ, профессор Муртазали Рабаданов.

Исследователи не просто оптимизировали технологический режим, но и выявили физическую причину, которая определяет результат, — установили прямую связь между положением подложки в магнетронной системе и особенностями кристаллохимического строения самого оксида цинка. Оказалось, что решающую роль играет зарядка растущей поверхности кристалла электронами из магнетронной плазмы. Иными словами, дело не только в температуре, давлении газа или мощности разряда, как обычно считается в подобных технологиях, но и в том, какой величины заряд (плавающий потенциал) приобретает подложка в плазме и как этот фактор взаимодействует с полярной вюрцитной структурой ZnO. Именно этот механизм, как показано в статье, позволяет стабилизировать рост кристаллитов в нужной ориентации. По сути, исследователи обратили внимание на фактор, который раньше недооценивался или вовсе выпадал из поля зрения.

«На примере оксида цинка нами показано, что управление ориентацией кристаллитов в пленке может определяться не только «обычными» параметрами осаждения, но и более тонкими кристаллохимическими и плазменными факторами. Это открывает возможность проверки и развития подхода для других перспективных полупроводников со сходным с ZnO строением», — пояснил один из авторов исследования, доцент кафедры физической электроники ДГУ Абубакар Исмаилов.

По словам ученых, речь идет о решении давней научно-технологической задачи, над которой научное сообщество работало с середины прошлого века. Впервые удалось показать, как именно добиться предельного уровня упорядочения кристаллитов в пленке на аморфной подложке и почему это вообще становится возможным.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации