Кубический диоксид циркония
1. Название разработки
Новый способ стабилизации кубического упорядочения диоксида циркония на поверхностях монокристаллического кремния.
2. Научный руководитель
Кузьменко Александр Павлович, д.ф.-м.н., профессор, директор центра коллективного пользования «Наукоемкие технологии» Курск ГТУ.
3. Назначение
Создание окисных с кубическим упорядочением наноструктурированных покрытий из тугоплавкого окисла диоксида циркония на полупроводниковых материалах с целью расширения диапазона эксплуатационных характеристик по температуре (вплоть до температуры в несколько сот градусов) и увеличения за счет этого плотности полупроводниковых элементов.
4. Краткое описание
При импульсном и импульсно-периодическом лазерном воздействии на диоксид циркония, методом лазерной абляции созданы тонкие покрытия на монокристаллическом и оксидированном кремнии, которые по данным рентгеноструктурного и электронно-микроскопического анализов (покрытия поверхности поваренной соли, полученные при аналогичных условиях) имеют преимущественно (до 90%) кубическое упорядочение. Результаты атомно-силовой микроскопии покрытий из аблированного диоксида циркония позволили выявить нанокластерное упорядочение с размерами до нескольких сотен нм. Опытные данные подтверждены расчетами, выполненными из первых принципов на основе методов функционала электронной плотности в приближении обобщенных градиентов и неэмпирических псевдопотенциалов. Установлено, что при лазерной абляции диоксида циркония на полупроводниковых поверхностях действует механизм термоупругой стабилизации.
5. Преимущества перед известными аналогами
Для стабилизации высокотемпературной кубической фазы диоксида циркония в настоящее время используют (частично или полностью) введение добавок в виде Mg, Ca, Y и т.д. Однако такая стабилизация сопровождается появлением в диоксиде циркония большого количества кислородных вакансий, что ведет к резкому увеличению его ионной электропроводности. Одним из путей к созданию стабильной диэлектрической керамики на основе именно высокотемпературных фаз диоксида циркония является ее формирование из наночастиц. Диоксид циркония является диэлектриком, что исключает использование многих электрофизических методов его разогрева. Для синтеза нанокристаллических циркониевых порошков разработано и применяется достаточно много технологических способов: осаждение из жидкой фазы, высокотемпературная обработка, включая самораспространяющийся высокотемпературный синтез, конденсация из газовой фазы и т.д. Традиционно используемые источники энергии не обеспечивают достаточной интенсивности воздействия необходимого для формообразования нанокристаллических структур из циркония. Оптические особенности цирконий содержащих соединений (коэффициенты поглощения, отражения) делают лазерное излучение наиболее подходящим источником для их нагрева до высоких температур, характерных кубическому упорядочению. Получение квазистабильных кубических структур без введения стабилизирующих процесс структурообразования добавок представляет несомненный практический интерес.
6. Область практического применения
Нанесение на кремний наноструктурированных покрытий из тугоплавкого окисла типа диоксид циркония со стабилизированным кубическим упорядочением открывает перспективы разработки новых полупроводниковых элементов (транзисторов, диодов и др.), обладающих повышенными эксплуатационными и функциональными свойствами, что позволит разрабатывать электронную технику новых поколений для разных отраслей экономики.
7. Экономический эффект
Применение технологии лазерной абляции тугоплавкого окисла диоксида циркония на полупроводниковых материалах в промышленных масштабах позволит существенно повысить эксплуатационные и функциональные характеристики создаваемой элементной базы. Для реализации требуется приобретение комплекса технологического и диагностического оборудования, стоимость которого может составить до 4 млн. руб. Масштабы использования элементов новых поколений, в силу всеобъемлющего распространения электронной техники, позволяют ожидать незначительного по продолжительности цикла возврата инвестиций.