Nel 1985, Noboru Kimizuka dell'Istituto nazionale per la ricerca sui materiali inorganici, Il Giappone ha aperto la strada all'idea della ceramica policristallina indio-gallio-ossido di zinco (IGZO), con la formula chimica generale (InGaO ₃ )m(ZnO)n (m, n =numero naturale; di seguito denominato IGZO-mn). Non avrebbe mai pensato che le sue curiose proprietà elettriche avrebbero portato l'industria elettronica a concedere in licenza transistor a film sottile (TFT) realizzati con questi ossidi metallici per vari dispositivi, compresi i display touch. Però, questo non è stato facile. Anche oggi, molte delle caratteristiche dei cristalli IGZO puri rimangono sconosciute a causa della loro difficile procedura di estrazione. Allora cosa li rende allettanti?

Quando fai luce sui metalli, gli elettroni conduttori liberi risuonano o vibrano con la luce esterna (onde elettromagnetiche). Così, l'onda luminosa è schermata, e come risultato, la luce non viene trasmessa ma riflessa. Questo è il motivo per cui i metalli non sono generalmente trasparenti nonostante siano buoni riflettori e conduttori. In contrasto, semiconduttori con un ampio gap di banda, come IGZO, può assorbire e trasmettere la luce anche nel campo della luce visibile. Generalmente, l'ampio band gap implica che questi tipi di materiali sono isolanti. Portatori di iniezione, usando i difetti dell'ossigeno, in un materiale semiconduttore con un ampio gap di banda può produrre un materiale che è sia trasparente che conduttivo.

Così, essendo sia trasparente che conduttivo rende questi semiconduttori adatti per l'uso in dispositivi optoelettronici, molto simile a quello su cui stai leggendo! Per di più, I transistor basati su IGZO hanno vantaggi aggiuntivi come l'elevata mobilità degli elettroni, buona uniformità su una vasta area, e bassa temperatura di lavorazione, che consentono di ottenere un'alta risoluzione ad alta efficienza energetica senza precedenti. All'interno di questa famiglia IGZO-1n, IGZO-11 policristallino (cioè InGaZnO ₄ ) presenta la più alta conduttività e il più grande gap di banda ottica. Inoltre, computer di tipo von Neumann, o semplicemente computer digitali, richiedono circuiti elettrici "on-off" come elementi costitutivi di base, con lo stato ideale "off" corrispondente a una corrente "zero". L'IGZO-11 eccelle anche su questo fronte, poiché il valore della corrente in stato off è estremamente piccolo, il che implica che la perdita di energia può essere minimizzata.

Però, non sono ancora stati ottenuti monocristalli di IGZO-11 sufficientemente grandi da poter essere utilizzati per misurarne le proprietà fisiche. Perciò, le sue precise proprietà intrinseche sono inesplorate. Motivato da questo e dal fatto che un ossido multicomponente con una struttura a strati potrebbe presentare una conduzione anisotropa, un team di ricercatori, principalmente dall'Università delle Scienze di Tokyo, guidato dal Prof Miyakawa, ha sviluppato una nuova tecnica per far crescere i singoli cristalli del tipo.

La sfida principale nella sintesi della struttura stratificata multicomponente è la formazione di difetti ricorrenti durante la crescita dei cristalli. Per di più, le proprietà fisiche del materiale erano sconosciute, il che significava che il percorso per isolare il cristallo doveva essere meticolosamente tracciato con il gesso. Di fronte al fatto che l'IGZO-11 potrebbe anche essere un materiale incongruente sotto pressione atmosferica (cioè, la fase solida cristallina viene decomposta nel processo di fusione in una seconda fase cristallina, diverso dal cristallo originale, e una fase liquida), il team di ricerca ha optato per la zona flottante ottica (OFZ) per costruire il cristallo. Aumentando la pressione del gas, il team è riuscito a sopprimere l'evaporazione e la vaporizzazione, e facendo crescere un buon monocristallo dalla fase liquida.

Così, OFZ ha permesso la crescita di cristalli di ossido di alta qualità senza la necessità di un crogiolo o di un contenitore, che offre un migliore controllo della temperatura e della pressione a cui è sottoposto il materiale liquido. Inoltre, l'uso di feed-rod ricchi di Zn nella sintesi ha permesso ai ricercatori di controllare il livello di ZnO che altrimenti sarebbe evaporato, rendendo vana la sintesi.

Dopo aver successo con la sintesi del cristallo, i ricercatori hanno studiato le sue proprietà fisiche. Hanno osservato che il cristallo nascente appariva di colore bluastro. Sulla ricottura o riscaldamento e poi raffreddamento lento in atmosfera libera e ossigeno aggiuntivo, il cristallo divenne trasparente. I vettori liberi prodotti dalle vacanze di ossigeno nei cristalli assorbono la luce rossa ed emettono luce blu; così, i ricercatori hanno associato il cambiamento di colore con questo ossigeno che riempie i posti vacanti quando il cristallo è stato sottoposto a ricottura.

Per completare il racconto, i ricercatori hanno quindi misurato la conduttività elettrica del cristallo, mobilità, e densità di portatori, e la loro dipendenza dalla temperatura. Hanno notato che dopo la ricottura tutte le proprietà elettriche hanno mostrato una diminuzione. La densità e la conduttività del vettore possono essere controllate entro un intervallo di 10 ¹⁷ a 10 ²⁰ cm ^-3 e 2000-1 S cm ^-1 a temperatura ambiente mediante post-ricottura. Hanno anche riportato un aumento della mobilità all'aumentare della densità dei portatori, che è stato precedentemente notato negli studi di trasporto per alcuni film sottili di IGZO-1n. Ciò suggerisce che il comportamento insolito è una caratteristica intrinseca della famiglia IGZO-1n.

interessante, il team ha notato che la conduttività lungo l'asse c (asse perpendicolare a ciascun piano nella struttura a strati) è> 40 volte inferiore a quella del piano ab (piano dello strato) nei singoli cristalli, e che l'anisotropia aumenta con la diminuzione della densità dei portatori. Come spiega il professor Miyakawa, "La distanza indio-indio lungo l'asse c è molto più lunga di quella lungo il piano ab. Pertanto, la sovrapposizione della funzione d'onda è minore nella direzione dell'asse c." Poiché il grado di sovrapposizione delle funzioni d'onda degli orbitali elettronici determina la facilità con cui gli elettroni possono muoversi, i ricercatori affermano che questa potrebbe essere l'origine della conduttività anisotropa per i cristalli IGZO-11.

In precedenza, la famiglia IGZO è stata utilizzata nei display a cristalli liquidi, anche su smartphone e tablet e, infatti, recentemente anche nei grandi televisori OLED. La conduttività elettrica e la trasparenza di questo nuovo materiale fanno risaltare IGZO. Mentre la fabbricazione di transistor dall'IGZO-11 che possono essere applicati direttamente nei LED rimane un lavoro in corso, questa affascinante ricerca segna l'inizio di molte altre scoperte.

Così, capisci perché IGZO-11 è importante o lo stai vedendo?