Rzut oka na prace Instytutu Fizyki PAN wystawione na tegorocznych targach INTARG pozwala zauważyć, że istotnym nurtem zainteresowań badawczych IF są detektory i emitery półprzewodnikowe. Jest to też jeden z ważnych obecnie kierunków badawczych w całej światowej elektronice.
By wyjaśnić istotę tych badań należy przypomnieć trochę podstawowych wiadomości z fizyki. Aby przez materiał przepłynął prąd, elektrony walencyjne, czyli związane z atomami muszą pokonać przerwę energetyczną między poziomem walencyjnym a poziomem przewodzenia. W przewodnikach przerwa ta nie istnieje – wystarczy przyłożyć do przewodnika napięcie, by przepłynął prąd. W izolatorach nie da się w ogóle pokonać szerokości tej przerwy. Cechą półprzewodników jest możliwość pokonania przerwy (tzw. pasma wzbronionego) w określonych warunkach. Za półprzewodnik z definicji uznaje się ciało, w którym szerokość pasma wzbronionego jest mniejsza niż 2 elektronowolty. Można ją przekroczyć działając różnego rodzaju promieniowaniem elektromagnetycznym z zewnątrz. Intensywność przechodzenia tej przerwy wskazuje na rodzaj i natężenie danego promieniowania EM. Obecnie rośnie zainteresowanie badaniami półprzewodników o szerokim paśmie wzbronionym. Szczególną uwagę zwrócono na tlenek cynku (ZnO), który ma dużą przerwę energetyczną (3,3 eV), ale ma też inne sprzyjające właściwości, którymi można sterować przez domieszkowanie np. magnezem lub kadmem.
Lepsza detekcja z domieszką i nanodrutem
W projekcie „Diodowe detektory pod dedykowany zakres widmowy” zespół z Instytutu opracował technologię detektorów diodowych opartych na układzie MgO-ZnO-CdO. Zastosowane stopy trójskładnikowe pozwalają na modulowanie właściwości optoelektronicznych układu (detektora) w szerokim zakresie odbieranego promieniowania. W wybranym układzie przerwy energetyczne wynoszą od 2,5 eV dla CdO do 7,8 eV dla MgO. Dzięki temu można kontrolować przerwę energetyczną (detekcyjność detektora) w szerokim zakresie od koloru żółtego do głębokiego ultrafioletu. Można więc myśleć o bardzo uniwersalnych zastosowaniach takich diod do precyzyjnych pomiarów.
Nanotechnologia wprowadziła pojęcie materiałów 1D. Są o ciągi o wymiarach przekroju rzędu cząsteczek zwane nanodrutami. Ciekawe zastosowania może przynieść projekt „Nanodruty GaN na metalicznych podłożach dla nowej generacji detektorów i emiterów światła” zespołu pod kierunkiem prof. Zbigniewa R. Żytkiewicza. Półprzewodniki z azotku glinu, galu i indu (Al,Ga,In)N nadają się do konstrukcji emiterów i detektorów światła w szerokim zakresie spektralnym. Te materiały obejmują wyjątkowo duży zakres przerw wzbronionych (Eg): od 0,7 eV (InN) do 6 eV (AlN) co odpowiada emisji światła w zakresie spektralnym od podczerwieni do ultrafioletu. Mogą pracować więc zarówno jako emitery określonego, zmieniającego się odcinka spektrum świetlnego, jak i detektory. Układ ten jest odporny na główne chemikalia i wysoką temperaturę (ważne przy zastosowaniach dla urządzeń pracujących w trudnych warunkach), cechuje go dobra przewodność cieplna. Jak się okazuje materiały te łatwiej domieszkować niż np. tlenek cynku, co może znacznie ułatwić i uprościć produkcję.
Inny zespół, w projekcie „Optymalizacja parametrów detektora podczerwieni na bazie heterostruktur pbte/cdte pracującego w temperaturze pokojowej” opracował technologię wytwarzania detektorów podczerwieni na bazie związków półprzewodnikowych – tellurków ołowiu i kadmu. Celem zaplanowanych działań jest optymalizacja struktury części aktywnej optycznie proponowanego detektora. Prace prowadzone są w celu maksymalizacji czułości prototypu urządzenia w temperaturze pokojowej w zakresie długości fal ok. 1 do 4 μm. O powszechności zastosowań lepszych detektorów podczerwieni nie trzeba przekonywać.
Analogicznym osiągnięciem jest też „Technologia wytwarzania detektorów UV opartych na nanostrukturach tlenkowych”. Opracowano technologię wzrostu nanostruktur tlenkowych do zastosowań w optoelektronice jako wysoce czułe detektory UV. Rozwiązanie jest niezwykle tanie, otrzymywane czułości są znacznie wyższe niż w przypadku komercyjnych detektorów UV.
Nanodruty żelaza pod mikroskopem elektronowym
Nanomateriał do wzięcia
Badania półprzewodnikówi mają też wskazane, bardzo konkretne zastosowania. Jednym z nich są pokrycia termoizolacyjne szyb. Zoptymalizowano parametry warstw ZnO domieszkowanych Al do tych zastosowań. Zespół z Instytutu przetestował pokrywanie szyb przezroczystymi warstwami tych przewodzących tlenków. Okna są najsłabszym ogniwem w pracach nad izolacją cieplną naszych mieszkań. Już pierwsze testy wykazały duży potencjał tlenu cynku domieszkowanego glinem. Szyby takie skutecznie blokują przegrzewanie mieszkań latem i ucieczkę ciepła z pomieszczeń zimą.
Nanoproszki tlenkowe posłużą też do… modyfikacji farb i lakierów w celu uzyskania właściwości antybakteryjnych. Opracowano metodę wytwarzania powłok w postaci lakierów domieszkowanych nanoproszkami tlenkowymi o działaniu bakteriobójczym. To rozwiązanie umożliwia bardzo tanie i wydajne pokrywanie powierzchni materiałów metalicznych, tworzyw naturalnych i sztucznych, a zwłaszcza włókien, a także papierów. Pokryte takimi powłokami materiały mogą być wykorzystywane w szeroko pojętej medycynie jako elementy maseczek ochronnych, czy też jako przyrządy medyczne i/lub narzędzia chirurgiczne, narażone na działanie bakterii i wirusów.
Podobną rolę będą pełniły dzięki projektowi „Warstwy tlenkowe dla zastosowań w implantologii”. Tu sporządzono nowatorską technologię osadzania warstw barierowych na powierzchni implantów, które blokują migracje jonów metali z implantu to tkanek i kości, eliminują konieczność stosowania antybiotyków ponieważ osadzane warstwy wykazują działanie antybakteryjne i, co ważne, przyspieszają integracje implantu z tkankami promując działanie osteoblastów.
jaz
