«Новые технологии в электронике»: в ПГУ автоматизировали исследования полупроводников
Ученые подведомственного Минобрнауки России Пензенского государственного университета создали программу для расчета оптической ширины запрещенной зоны наноматериалов. Изобретение поможет эффективнее проектировать и разрабатывать электронные устройства с учетом их электрофизических и оптических свойств. Расчет происходит за несколько минут. Предложенное решение найдет применение в лабораториях предприятий, специализирующихся на производстве компонентов электронной техники и разработке технологий синтеза материалов на основе полупроводников. Об этом сообщило ТАСС.
Широкозонные полупроводниковые оксиды активно применяются в электронике. Устройства на их основе необходимы в энергетике, автомобильном транспорте, бытовой технике, сельском хозяйстве и многих других сферах и областях.
«Компоненты электронной техники используются повсеместно. Без них не могут работать привычные для всех устройства — телевизор, телефон, электроплита и так далее. От электронной компонентной базы будет зависеть эффективность их работы и долговечность. Во всей этой технике и не только перспективно применять широкозонные полупроводники», — поделилась Надежда Якушова, один из разработчиков программы.
Поясним. Полупроводники бывают узкозонные и широкозонные. К первым относятся кремний, германий, антимонид индия, а ко вторым диоксид олова, оксид цинка и другие. Определение их ширины запрещенной зоны необходимо для разработки электронных компонентов с заданными электрофизическими и оптическими свойствами. В зависимости от величины запрещенной зоны эти материалы могут обладать принципиально различными свойствами, которые обуславливают сферы их практического применения. Так узкозонные материалы стали основой современной микро- и наноэлектроники, а широкозонные перспективны для создания чувствительных элементов газовых сенсоров и фотокатализаторов.
«В целом при правильном использовании широкозонных полупроводниковых оксидов можно сделать приборы с уникальными параметрами, например сверхвысокочувствительные газовые сенсоры», — добавила исследователь.
В настоящее время оптическую ширину запрещенной зоны в полупроводниках во всем мире определяют с помощью различных методов, например с помощью «Диаграммы Тауца». Вручную строится график по данным снятым специальным прибором — спектрофотометром. Он измеряет интенсивность света, проходящего через образец, и выявляет характеристики его поглощения.
Такая обработка занимает много сил и времени, подчеркивает Надежда Якушова. Кроме того, страдает точность измерений.
Научный коллектив кафедры «Нано- и микроэлектроника» ПГУ — д-р техн. наук, заведующий кафедрой Игорь Пронин, канд. физ.-мат. наук, доцент Андрей Карманов, канд. техн. наук, доцент Надежда Якушова, аспирант Иван Филиппов — автоматизировал этот процесс и запатентовал программу для ЭВМ «Определение оптической ширины запрещенной зоны и энергии „хвоста” Урбаха в наноматериалах на основе модифицированных широкозонных полупроводниковых оксидов». Теперь расчет происходит в течение нескольких минут. При этом значительно повысилась точность за счет уменьшения вклада человеческого фактора.
В программе прописан специальный функционал, включающий набор выражений, по которым идет расчет. Его совершить довольно просто. Массив данных, представляющий собой зависимость пропускания света через образец от длины волны излучения, подгружается в программу. Там происходит математическая обработка данных и рассчитывается оптическая ширина запрещенной зоны методом Тауца. Через несколько минут на экране монитора компьютера предстает нужный график и числовое значение искомой величины.
«Программа посчитает все за человека и выдаст готовый результат в виде значений, которые можно будет уже дальше обрабатывать», — поделился Андрей Карманов.
В Пензенском госуниверситете программа активно используется в передовых научных исследованиях и проектах. Кроме того, она была создана специально для разработки технология получения фотокаталитических материалов для самоочищающихся покрытий и фильтров очистки воды и воздуха. Об этом мы писали ранее.
Ученым удалось апробировать программу и доказать, что она существенно упрощает проведение расчетов.
«Мы больше не тратим много времени на построение графиков. Удалось автоматизировать этот процесс. Но, стоит отметить, главное достоинство нашего предложения — возможность использования результатов расчетов для дальнейшего создания фотокатализаторов с уникальными свойствами», — рассказал Андрей Карманов.
Исследователь также добавил, что широкозонные полупроводниковые оксиды используются в различных областях науки и техники, например, в альтернативной энергетике для экологически чистого производства водорода, биомедицинских приложениях.
«Создав широкозонные материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами мы сможем создать устройства, которые повысят производительность промышленных предприятий, улучшат экологию, сделают обследования в медицине точнее и информативнее», — уверена Надежда Якушова.
Разработанная программа адаптирована под создание материалов — фотокатализаторов на основе модифицированного широкозонного полупроводникового оксида цинка. Однако программу можно использовать и для расчета параметров узкозонных полупроводников.
Предложение найдет применение в лабораториях предприятий, специализирующихся на производстве газовых сенсоров и фотокатализаторов. А также в лабораториях университетов, где занимаются изучением оптических свойств материалов.
Программа поможет ускорить процесс подсчета и анализа.
В настоящее время исследование продолжается. Ученые подали заявку на грантовый конкурс РНФ.