Em 1985, Noboru Kimizuka, do Instituto Nacional de Pesquisa em Materiais Inorgânicos, O Japão foi o pioneiro na ideia de cerâmicas policristalinas de óxido de índio-gálio-zinco (IGZO), com a fórmula química geral (InGaO ₃ ) m (ZnO) n (m, n =número natural; doravante denominado IGZO-mn). Pouco ele teria pensado que suas curiosas propriedades elétricas levariam a indústria eletrônica a licenciar transistores de película fina (TFTs) feitos desses óxidos de metal para vários dispositivos, incluindo telas tocáveis. Contudo, isso não foi fácil. Ainda hoje, muitas das características dos cristais IGZO puros permanecem desconhecidas devido ao seu difícil procedimento de extração. Então, o que os torna tentadores?

Quando você ilumina metais, os elétrons condutores livres ressoam ou vibram com luz externa (ondas eletromagnéticas). Assim, a onda de luz é blindada, e como resultado, a luz não é transmitida, mas refletida. É por isso que os metais geralmente não são transparentes, apesar de serem bons refletores e condutores. Em contraste, semicondutores com uma grande lacuna de banda, como IGZO, pode absorver e transmitir luz mesmo na faixa de luz visível. Em geral, a grande lacuna de banda implica que esses tipos de materiais são isolantes. Injetando portadores, usando defeitos de oxigênio, em um material semicondutor com uma grande lacuna de banda pode produzir um material que é transparente e condutor.

Assim, ser transparente e condutor torna esses semicondutores adequados para uso em dispositivos optoeletrônicos, muito parecido com aquele em que você está lendo isso! Além disso, Transistores baseados em IGZO têm vantagens adicionais, como alta mobilidade de elétrons, boa uniformidade em uma grande área, e baixa temperatura de processamento, que tornam possível alcançar uma alta resolução com eficiência energética incomparável. Dentro desta família IGZO-1n, IGZO-11 policristalino (ou seja, InGaZnO ₄ ) exibe a maior condutividade e o maior gap óptico. Além disso, computadores do tipo von Neumann, ou simplesmente computadores digitais, requerem circuitos elétricos de "estado ligado-desligado" como os blocos básicos de construção, com o estado "desligado" ideal correspondendo a uma corrente "zero". O IGZO-11 também se destaca nesta frente, como o valor da corrente do estado desligado para ele é extremamente pequeno, o que implica que a perda de energia pode ser minimizada.

Contudo, cristais únicos suficientemente grandes de IGZO-11 que poderiam ser usados ​​para medir suas propriedades físicas ainda não foram obtidos. Portanto, suas propriedades intrínsecas precisas são inexploradas. Motivado por isso e pelo fato de que um óxido multicomponente com uma estrutura em camadas pode exibir condução anisotrópica, uma equipe de pesquisadores, principalmente da Universidade de Ciência de Tóquio, liderado pelo Prof Miyakawa, desenvolveu uma nova técnica para cultivar cristais únicos desse tipo.

O principal desafio na síntese da estrutura em camadas multicomponente é a formação de defeitos recorrentes durante o crescimento do cristal. Além disso, as propriedades físicas do material eram desconhecidas, o que significava que a rota para isolar o cristal tinha que ser meticulosamente riscada. Confrontado com o fato de que o IGZO-11 também pode ser um material incongruente sob pressão atmosférica (ou seja, a fase sólida cristalina é decomposta no processo de fusão em uma segunda fase de cristal, diferente do cristal original, e uma fase líquida), a equipe de pesquisa optou pela zona de flutuação óptica (OFZ) para construir o cristal. Ao aumentar a pressão do gás, a equipe conseguiu suprimir a evaporação e vaporização, e o crescimento de um bom cristal único a partir da fase líquida.

Assim, OFZ permitiu o crescimento de cristais de óxido de alta qualidade sem a necessidade de um cadinho ou recipiente, o que dá melhor controle sobre a temperatura e pressão a que o material líquido é submetido. Adicionalmente, o uso de uma haste de alimentação rica em Zn na síntese permitiu aos pesquisadores controlar o nível de ZnO que, de outra forma, teria evaporado, tornando a síntese fútil.

Ao obter sucesso com a síntese do cristal, os pesquisadores estudaram suas propriedades físicas. Eles observaram que o cristal nascente tinha uma cor azulada. No recozimento ou aquecimento e, em seguida, resfriamento lento em atmosfera livre e oxigênio adicional, o cristal ficou transparente. Portadores livres produzidos por vacâncias de oxigênio nos cristais absorvem luz vermelha e emitem luz azul; portanto, os pesquisadores associaram a mudança de cor a esse oxigênio preenchendo as lacunas quando o cristal foi submetido ao recozimento.

Para completar o conto, os pesquisadores então mediram a condutividade elétrica do cristal, mobilidade, e densidade do portador, e suas dependências com a temperatura. Eles notaram que todas as propriedades elétricas pós-recozimento mostraram uma diminuição. A densidade do transportador e a condutividade podem ser controladas dentro da faixa de 10 ¹⁷ a 10 ²⁰ cm ^-3 e 2000-1 S cm ^-1 à temperatura ambiente por pós-recozimento. Eles também relataram um aumento na mobilidade com o aumento da densidade de portadores, o que foi observado anteriormente em estudos de transporte para alguns filmes finos de IGZO-1n. Isso sugere que o comportamento incomum é uma característica intrínseca da família IGZO-1n.

Interessantemente, a equipe observou que a condutividade ao longo do eixo c (eixo perpendicular a cada plano na estrutura em camadas) é> 40 vezes menor do que no plano ab (plano da camada) nos cristais individuais, e que a anisotropia aumenta com a diminuição da densidade do portador. Como o Prof Miyakawa explica, "A distância índio-índio ao longo do eixo c é muito maior do que ao longo do plano ab. a sobreposição da função de onda é menor na direção do eixo c. "Como o grau de sobreposição das funções de onda dos orbitais eletrônicos governa a facilidade com que os elétrons podem se mover, os pesquisadores afirmam que esta pode ser a origem da condutividade anisotrópica dos cristais IGZO-11.

Anteriormente, a família IGZO tem sido usada em telas de cristal líquido, inclusive em smartphones e tablets e, na verdade, recentemente também em grandes televisores OLED. A condutividade elétrica e transparência deste novo material fazem IGZO se destacar. Embora a fabricação de transistores do IGZO-11 que podem ser aplicados diretamente em LEDs continue sendo um trabalho em andamento, esta pesquisa fascinante marca o início de muitas outras descobertas.

Então, você vê por que IGZO-11 é importante ou você está percebendo isso?