Учёные Дагестанского государственного университета разработали технологию получения тонких плёнок 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. Результаты работы опубликованы в международном журнале ThinSolidFilms.
Оксид цинка – материал, который изучают уже многие десятилетия. И интерес к нему не случаен. Это прозрачный, сравнительно недорогой, нетоксичный полупроводник с ценным набором свойств: он хорошо работает в пьезоэлектронных и акустооптических устройствах, устойчив к радиации, совместим с тонкоплёночными технологиями. Именно поэтому ZnO 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 на пути к эффективному применению оксида цинка долгое время оставалась фундаментальная технологическая проблема. Если плёнка растёт на аморфной подложке, например на широко используемой структуре SiO₂/Si, то кристаллиты обычно 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 её не удавалось.
Коллектив ДГУ смог выйти за этот предел. Учёные показали, что можно вырастить плёнки 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, при оптимальных условиях авторы получили очень высокое структурное совершенство плёнок и показали возможность их роста с высокой скоростью без потери качества.
Особая ценность работы в том, что исследователи не просто улучшили один из технологических режимов, а выявили физическую причину, которая определяет результат. Установлена прямая 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 рассматривается 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.
«Публикация в ThinSolidFilms – это признание мировым сообществом высокого уровня исследований в ДГУ. 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.
Один из авторов исследования, доцент кафедры физической электроники ДГУ Абубакар Исмаилов, отметил фундаментальный смысл полученного результата: «На примере ZnO показано, что управление ориентацией кристаллитов в плёнке 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».
Работа учёных ДГУ – это не просто ещё один шаг в изучении оксида цинка. Речь идёт о решении давней научно-технологической задачи, над которой мировое сообщество работало с середины прошлого века. Исследователям удалось показать, как именно добиться предельного уровня упорядочения кристаллитов в плёнке на аморфной подложке и почему это вообще становится возможным. А значит, фундаментальная физика здесь напрямую работает на будущее современных устройств связи, сенсорики, фотоники и пьезоэлектроники.