Как повысить энергоэффективность 3D-печати транзисторов: новое исследование российских ученых

Современная микроэлектроника стремится к миниатюризации и снижению энергозатрат. Одним из перспективных направлений является 3D-печать транзисторов, однако создание материалов, отвечающих всем требованиям технологии, остается сложной задачей. Исследователи МФТИ совместно с коллегами из СПбГУ, ЮУрГУ и Таджикистана предложили способ получения полупроводниковых чернил, которые позволяют снизить энергозатраты при печати транзисторов. Их работа, опубликованная в журнале Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, открывает новые перспективы в развитии микроэлектроники.

Транзисторы и 3D-печать: почему это важно?

Транзисторы — ключевые элементы электроники, управляющие потоками электрического тока в микросхемах. Их размеры уменьшались на протяжении десятилетий, что позволило создать мощные и компактные устройства: от смартфонов до суперкомпьютеров. Сегодня одним из самых перспективных методов их производства является струйная 3D-печать, требующая специальных полупроводниковых чернил. Они должны легко проходить через печатающую головку в жидком виде, быстро застывать на подложке и обладать нужными электрическими свойствами.

Как ученые МФТИ нашли оптимальный состав для чернил?

В своем исследовании ученые сосредоточились на синтезе сложного оксида индия, галлия и цинка (IGZO) методом золь-гель. Этот материал обладает высокой подвижностью носителей заряда, что делает его перспективным для электроники. Однако стандартные методы его производства требуют значительных энергозатрат.

Исследователи изучили, как различные органические лиганды — лимонная и щавелевая кислоты, этиленгликоль, глицерин, мочевина и сахароза — влияют на процесс формирования наночастиц IGZO. Они обнаружили, что использование глицерина и сушка при 500 °C позволяют получать наночастицы размером 20–30 нм с оптимальными характеристиками. Этот подход снижает энергозатраты на синтез материала и повышает его однородность.

Что показали микроскопические исследования?

Для анализа полученных образцов ученые применили рентгенофазовый анализ, сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию. Было установлено, что при температуре 500 °C формируются рентгеноаморфные соединения, а при последующем спекании при 700–900 °C материал приобретает слоистую структуру, схожую с оксидом иттербия и железа. При нагреве до 1450 °C кристаллическая решетка становится ромбоэдрической с минимальными параметрами a = 3,295 Å и c = 26,070 Å.

Микроскопические снимки показали, что полученные образцы представляют собой агломераты наночастиц без четкой пространственной организации. На их поверхности присутствуют скопления частиц размером 20–30 нм, а также более мелкие структуры. Эти данные позволили исследователям определить оптимальные параметры синтеза IGZO.

Что это значит для будущего 3D-печати электроники?

«На сегодняшний день нет четкого понимания, какие органические лиганды наиболее эффективны для синтеза IGZO методом золь-гель. Наше исследование помогает ответить на этот вопрос», — отметил Денис Винник, заведующий лабораторией полупроводниковых оксидных материалов МФТИ.

«Использование глицерина позволило нам снизить температуру синтеза наночастиц IGZO до 500 °C. Мы определили состав и параметры его кристаллической решетки, что открывает возможности для более энергоэффективной 3D-печати транзисторов», — добавил Глеб Зирник, младший научный сотрудник лаборатории функциональных оксидных материалов для микроэлектроники МФТИ.

Результаты работы помогут целенаправленно подбирать органические реагенты для синтеза IGZO, снижая затраты на производство и повышая доступность технологии. Это важный шаг к созданию более энергоэффективной микроэлектроники будущего.

Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 24-19-00468).

Источник: Найден способ повышения энергоэффективности технологий 3D печати транзисторов — За науку