1985, Noboru Kimizuka från National Institute for Research in Inorganic Materials, Japan hade banat väg för idén om polykristallin indium-gallium-zinkoxid (IGZO) keramik, med den allmänna kemiska formeln (InGaO ₃ )m(ZnO)n (m, n =naturligt tal; hädanefter kallad IGZO-mn). Föga skulle han ha trott att dess märkliga elektriska egenskaper skulle få elektronikindustrin att licensiera tunnfilmstransistorer (TFT) tillverkade av dessa metalloxider för olika enheter, inklusive beröringsbara skärmar. Dock, detta kom inte lätt. Även i dag, många av egenskaperna hos rena IGZO-kristaller förblir okända på grund av deras svåra extraktionsförfarande. Vad gör dem då lockande?

När du lyser ljus på metaller, de fritt ledande elektronerna resonerar eller vibrerar med externt ljus (elektromagnetiska vågor). Således, ljusvågen är avskärmad, och som resultat, ljus överförs inte utan reflekteras. Det är därför metaller i allmänhet inte är genomskinliga trots att de är bra reflektorer och ledare. I kontrast, halvledare med ett stort bandgap, som IGZO, kan absorbera och överföra ljus även i det synliga ljusområdet. I allmänhet, det stora bandgapet innebär att dessa typer av material är isolatorer. Injicerande bärare, använder syredefekter, i ett halvledarmaterial med ett stort bandgap kan ge ett material som är både transparent och ledande.

Således, att de är både transparenta och ledande gör dessa halvledare lämpliga för användning i optoelektroniska enheter, ungefär som den du läser detta på! Vidare, IGZO-baserade transistorer har ytterligare fördelar som hög elektronmobilitet, god enhetlighet över ett stort område, och låg bearbetningstemperatur, som gör det möjligt att uppnå oöverträffad energisnål hög upplösning. Inom denna IGZO-1n-familj, polykristallin IGZO-11 (dvs. InGaZnO ₄ ) uppvisar den högsta konduktiviteten och det största optiska bandgapet. Dessutom, Datorer av typ von Neumann, eller helt enkelt digitala datorer, kräver elektriska kretsar "på-av-tillstånd" som de grundläggande byggstenarna, med det ideala "av"-tillståndet motsvarande en "noll" ström. IGZO-11 utmärker sig också på denna front, eftersom off-state strömvärdet för det är extremt litet, vilket innebär att energiförlusten kan minimeras.

Dock, tillräckligt stora enkristaller av IGZO-11 som skulle kunna användas för att mäta deras fysikaliska egenskaper har ännu inte erhållits. Därför, dess exakta inneboende egenskaper är outforskade. Motiverad av detta och det faktum att en flerkomponentoxid med en skiktad struktur skulle kunna uppvisa anisotrop ledning, ett team av forskare, främst från Tokyo University of Science, ledd av prof Miyakawa, har utvecklat en ny teknik för att odla enkristaller av denna typ.

Den primära utmaningen i syntesen av den flerkomponentskiktade strukturen är den återkommande defektbildningen under kristalltillväxt. Vidare, materialets fysikaliska egenskaper var okända, vilket innebar att vägen för att isolera kristallen måste noggrant kritas ut. Inför det faktum att IGZO-11 också kan vara ett inkongruent material under atmosfärstryck (dvs. den kristallina fasta fasen sönderdelas i smältprocessen till en andra kristallfas, skiljer sig från den ursprungliga kristallen, och en flytande fas), forskargruppen valde optisk flytande zon (OFZ) för att bygga kristallen. Genom att öka gastrycket, teamet lyckades undertrycka avdunstning och förångning, och odling av en bra enkristall från vätskefasen.

Således, OFZ möjliggjorde tillväxten av högkvalitativa oxidkristaller utan behov av en degel eller en behållare, vilket ger bättre kontroll över temperaturen och trycket som det flytande materialet utsätts för. Dessutom, användningen av Zn-rik matarstav i syntesen gjorde det möjligt för forskarna att kontrollera nivån av ZnO som annars skulle ha avdunstat, gör syntesen meningslös.

Efter att ha lyckats med syntesen av kristallen, forskarna studerade dess fysikaliska egenskaper. De observerade att den begynnande kristallen verkade blåaktig i färgen. Vid glödgning eller uppvärmning och sedan långsam kylning i fri atmosfär och ytterligare syre, kristallen blev genomskinlig. Fria bärare som produceras av syrevakanser i kristaller absorberar rött ljus och avger blått ljus; Således, forskarna associerade färgförändringen med att detta syre fyllde de lediga platserna när kristallen genomgick glödgning.

För att fullborda berättelsen, forskarna mätte sedan kristallens elektriska ledningsförmåga, rörlighet, och bärardensitet, och deras temperaturberoende. De noterade att efter glödgning visade alla elektriska egenskaper en minskning. Bärardensiteten och konduktiviteten kan kontrolleras inom intervallet 10 ¹⁷ till 10 ²⁰ centimeter ^-3 och 2000-1 S cm ^-1 vid rumstemperatur genom efterglödgning. De rapporterade också en ökning av rörligheten vid ökning av bärartätheten, vilket tidigare noterats i transportstudier för vissa IGZO-1n tunna filmer. Detta tyder på att det ovanliga beteendet är en inneboende egenskap hos IGZO-1n-familjen.

Intressant, teamet noterade att konduktiviteten längs c-axeln (axeln vinkelrät mot varje plan i den skiktade strukturen) är> 40 gånger lägre än i ab-planet (skiktets plan) i enkristallerna, och att anisotropin ökar med minskande bärartäthet. Som prof Miyakawa förklarar, "Indium-indium-avståndet längs c-axeln är mycket längre än det längs ab-planet. Därför, överlappningen av vågfunktionen är mindre i c-axelns riktning." Eftersom graden av överlappning av vågfunktionerna för elektroniska orbitaler styr hur lätt elektroner kan röra sig, forskarna hävdar att detta kan vara ursprunget till den anisotropa konduktiviteten för IGZO-11-kristaller.

Tidigare, IGZO-familjen har använts i LCD-skärmar, inklusive i smartphones och surfplattor och, faktiskt, nyligen även i stora OLED-tv-apparater. Den elektriska ledningsförmågan och transparensen hos detta nya material gör att IGZO sticker ut. Även om tillverkning av transistorer av IGZO-11 som kan appliceras direkt i lysdioder förblir ett pågående arbete, denna fascinerande forskning markerar början på många fler upptäckter.

Så, ser du varför IGZO-11 är viktigt eller genomskådar du det?