En 1985, Noboru Kimizuka del Instituto Nacional de Investigación en Materiales Inorgánicos, Japón fue pionero en la idea de las cerámicas policristalinas de óxido de indio, galio y zinc (IGZO), con la fórmula química general (InGaO ₃ ) m (ZnO) n (m, n =número natural; en lo sucesivo denominado IGZO-mn). Poco hubiera pensado que sus curiosas propiedades eléctricas llevarían a la industria electrónica a licenciar transistores de película delgada (TFT) hechos de estos óxidos metálicos para varios dispositivos. incluyendo pantallas táctiles. Sin embargo, esto no fue fácil. Incluso hoy, muchas de las características de los cristales de IGZO puro siguen siendo desconocidas debido a su difícil procedimiento de extracción. Entonces, ¿qué los hace tentadores?

Cuando haces brillar la luz sobre los metales, los electrones conductores libres resuenan o vibran con la luz externa (ondas electromagnéticas). Por lo tanto, la onda de luz está protegida, y como un resultado, la luz no se transmite sino que se refleja. Es por eso que los metales no son generalmente transparentes a pesar de ser buenos reflectores y conductores. A diferencia de, semiconductores con una gran banda prohibida, como IGZO, puede absorber y transmitir luz incluso en el rango de luz visible. En general, la gran banda prohibida implica que este tipo de materiales son aislantes. Portadores de inyección, utilizando defectos de oxígeno, en un material semiconductor con una banda prohibida grande puede producir un material que es transparente y conductor.

Por lo tanto, ser transparentes y conductores hace que estos semiconductores sean adecuados para su uso en dispositivos optoelectrónicos, muy parecido al que estás leyendo esto! Es más, Los transistores basados ​​en IGZO tienen ventajas adicionales como alta movilidad de electrones, buena uniformidad en un área grande, y baja temperatura de procesamiento, que hacen posible lograr una alta resolución de eficiencia energética sin igual. Dentro de esta familia IGZO-1n, IGZO-11 policristalino (es decir, InGaZnO ₄ ) presenta la conductividad más alta y la mayor banda prohibida óptica. Además, ordenadores de tipo von Neumann, o simplemente computadoras digitales, requieren circuitos eléctricos de "estado encendido-apagado" como bloques de construcción básicos, con el estado ideal "apagado" correspondiente a una corriente "cero". El IGZO-11 también sobresale en este frente, ya que el valor actual del estado desactivado es extremadamente pequeño, lo que implica que la pérdida de energía se puede minimizar.

Sin embargo, Aún no se han obtenido monocristales suficientemente grandes de IGZO-11 que puedan usarse para medir sus propiedades físicas. Por lo tanto, sus propiedades intrínsecas precisas están inexploradas. Motivado por esto y el hecho de que un óxido multicomponente con una estructura en capas podría exhibir conducción anisotrópica, un equipo de investigadores, principalmente de la Universidad de Ciencias de Tokio, dirigido por el profesor Miyakawa, ha desarrollado una técnica novedosa para cultivar monocristales de este tipo.

El desafío principal en la síntesis de la estructura estratificada de componentes múltiples es la formación de defectos recurrentes durante el crecimiento de cristales. Es más, se desconocían las propiedades físicas del material, lo que significaba que la ruta para aislar el cristal debía trazarse meticulosamente con tiza. Ante el hecho de que el IGZO-11 también podría ser un material incongruente bajo presión atmosférica (es decir, la fase sólida cristalina se descompone en el proceso de fusión en una segunda fase cristalina, diferente del cristal original, y una fase líquida), el equipo de investigación optó por la zona flotante óptica (OFZ) para construir el cristal. Al aumentar la presión del gas, el equipo logró suprimir la evaporación y la vaporización, y hacer crecer un buen monocristal a partir de la fase líquida.

Por lo tanto, OFZ permitió el crecimiento de cristales de óxido de alta calidad sin la necesidad de un crisol o un recipiente, lo que da un mejor control sobre la temperatura y la presión a la que está sometido el material líquido. Adicionalmente, El uso de varilla de alimentación rica en Zn en la síntesis permitió a los investigadores controlar el nivel de ZnO que de otro modo se habría evaporado. haciendo inútil la síntesis.

Al tener éxito con la síntesis del cristal, los investigadores estudiaron sus propiedades físicas. Observaron que el cristal naciente parecía de color azulado. Al recocer o calentar y luego enfriar lentamente en atmósfera libre y oxígeno adicional, el cristal se volvió transparente. Los portadores libres producidos por las vacantes de oxígeno en los cristales absorben la luz roja y emiten luz azul; por lo tanto, los investigadores asociaron el cambio de color con este oxígeno que llena las vacantes cuando el cristal se somete a un recocido.

Para completar el cuento Luego, los investigadores midieron la conductividad eléctrica del cristal, movilidad, y densidad de portadores, y sus dependencias de temperatura. Observaron que después del recocido todas las propiedades eléctricas mostraron una disminución. La densidad y la conductividad del portador se pueden controlar dentro del rango de 10 ¹⁷ a 10 ²⁰ cm ^-3 y 2000-1 S cm ^-1 a temperatura ambiente mediante recocido posterior. También informaron un aumento en la movilidad al aumentar la densidad de portadores, que se observó previamente en estudios de transporte para algunas películas delgadas de IGZO-1n. Esto sugiere que el comportamiento inusual es una característica intrínseca de la familia IGZO-1n.

Curiosamente, el equipo notó que la conductividad a lo largo del eje c (eje perpendicular a cada plano en la estructura en capas) es> 40 veces más bajo que en el ab-plano (plano de la capa) en los monocristales, y que la anisotropía aumenta al disminuir la densidad del portador. Como explica el profesor Miyakawa, "La distancia indio-indio a lo largo del eje c es mucho más larga que a lo largo del plano ab. Por lo tanto, la superposición de la función de onda es menor en la dirección del eje c ". Debido a que el grado de superposición de las funciones de onda de los orbitales electrónicos gobierna la facilidad con que los electrones pueden moverse, los investigadores afirman que este podría ser el origen de la conductividad anisotrópica de los cristales de IGZO-11.

Previamente, la familia IGZO se ha utilizado en pantallas de cristal líquido, incluso en teléfonos inteligentes y tabletas y, De hecho, recientemente también en grandes televisores OLED. La conductividad eléctrica y la transparencia de este novedoso material hacen que IGZO destaque. Si bien la fabricación de transistores con IGZO-11 que se pueden aplicar directamente en LED sigue siendo un trabajo en progreso, esta fascinante investigación marca el comienzo de muchos más descubrimientos.

Entonces, ¿Ves por qué IGZO-11 es importante o lo estás viendo?