Influence of annealing temperature on the structural, morphological and optical properties of sol–gel spin-coated NiO thin films on Si and SiO₂ substrates

Il silicio è la base dell'elettronica moderna, il materiale che alimenta tutto, dagli smartphone ai pannelli solari. Tuttavia, per far sì che questi dispositivi funzionino in modo efficiente, gli ingegneri devono spesso accoppiare il silicio con altri materiali in grado di gestire il flusso di elettricità in modi specifici. Uno di questi materiali è l'ossido di nichel, una sostanza simile a una ceramica che conduce naturalmente l'elettricità in una particolare direzione, nota come conducibilità di tipo p. Questa proprietà lo rende un partner prezioso per il silicio nella creazione di sensori avanzati, celle solari e dispositivi di memoria. Tuttavia, affinché l'ossido di nichel funzioni bene in questi ruoli, deve essere cresciuto sotto forma di un film sottile, uniforme e con una struttura interna altamente ordinata. Se gli atomi nel film sono disordinati o stressati, il materiale diventa meno efficace. La chiave per organizzare questi atomi risiede nel calore. Riscaldando il film dopo la sua creazione, gli scienziati possono incoraggiare i minuscoli cristalli al suo interno a crescere più grandi e a sistemarsi in una disposizione più perfetta, ma trovare la temperatura esatta che ottenga questo risultato senza danneggiare il film è un delicato gioco di equilibrio.

In uno studio recente, i ricercatori della National University of Uzbekistan si sono posti l'obiettivo di trovare questo equilibrio perfetto. Hanno creato film sottili di ossido di nichel su due diversi tipi di superfici a base di silicio: una composta da silicio puro e un'altra rivestita con uno strato di biossido di silicio, un comune materiale isolante. Utilizzando una tecnica chiamata spin coating sol-gel, che prevede la rotazione di una miscela chimica liquida sulla superficie per distribuirla uniformemente, hanno costruito i film strato dopo strato. Una volta posizionati i film, li hanno sottoposti a un trattamento termico, o ricottura, a tre diverse temperature: 400, 500 e 600 gradi Celsius. L'obiettivo era osservare come la struttura interna e il modo in cui la luce interagisce con il film cambiassero all'aumentare del calore, determinando quale temperatura producesse il materiale di qualità superiore per i futuri dispositivi.

I ricercatori hanno esaminato i film utilizzando strumenti potenti in grado di vedere la disposizione degli atomi e la forma della superficie. Alla temperatura più bassa di 400 gradi Celsius, i film erano ancora piuttosto disordinati, composti da cluster cristallini estremamente piccoli, appena visibili agli strumenti. Con l'aumento della temperatura a 500 gradi, questi cluster hanno iniziato a fondersi e a crescere. Quando i film hanno raggiunto i 600 gradi, la trasformazione era completa. I piccoli cristalli erano cresciuti significativamente, raggiungendo una dimensione di circa 10-11 nanometri, e lo stress interno che stava comprimendo gli atomi fuori dal loro allineamento si era rilassato. I film sono diventati densi e privi di crepe, con una superficie liscia composta da grani fini e rotondi. Questo livello di ordine non era solo un miglioramento visivo; significava che il materiale era strutturalmente molto più vicino a un blocco solido e perfetto di ossido di nichel come si trova in natura.

Questo miglioramento strutturale ha avuto un impatto diretto e misurabile su come i film gestivano la luce. I ricercatori hanno misurato il band gap energetico, ovvero la quantità specifica di energia necessaria affinché il materiale assorba la luce e conduca elettricità. Sui substrati di silicio puro, questo intervallo energetico si è allargato costantemente all'aumentare della temperatura, passando da 3,42 elettronvolt a 400 gradi a 3,55 elettronvolt a 600 gradi. Sui substrati di biossido di silicio, il band gap è rimasto costantemente alto, oscillando tra 3,63 e 3,66 elettronvolt. Più importante ancora, lo studio ha esaminato l' "energia di disordine", una misura di quanto sia disordinata la struttura atomica. Alle temperature più basse, questo disordine era elevato, ma a 600 gradi è diminuito significativamente su entrambi i tipi di substrati. Questa diminuzione ha confermato che il calore aveva rimosso con successo i difetti e le irregolarità che ostacolavano le prestazioni del materiale.

Lo studio ha escluso esplicitamente l'idea che i cambiamenti nell'assorbimento della luce fossero causati dalle dimensioni ridotte dei cristalli, un fenomeno noto come confinamento quantistico. Se fosse stato così, il band gap si sarebbe comportato diversamente durante la crescita dei cristalli. Invece, i dati hanno mostrato che i cambiamenti erano guidati dalla guarigione del reticolo cristallino e dalla rimozione dei difetti. I ricercatori hanno scoperto che 600 gradi Celsius era la temperatura ottimale per questo processo. A questo calore, i film hanno raggiunto la loro dimensione cristallina maggiore, il loro stress interno minimo e la loro disposizione atomica più pulita. Sebbene i film sui due diversi substrati mostrassero lievi differenze nei loro esatti valori energetici, entrambi hanno raggiunto il picco di qualità alla stessa temperatura.

In definitiva, questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per la creazione di film di ossido di nichel di alta qualità da utilizzare con la tecnologia del silicio. Semplicemente regolando il trattamento termico a 600 gradi Celsius, i produttori possono produrre film densi, privi di crepe e altamente ordinati. Questi film sono pronti per essere integrati in componenti elettroniche di prossima generazione, dove la loro struttura migliorata permetterà loro di funzionare in modo più efficiente. Le scoperte suggeriscono che per chiunque voglia costruire dispositivi che combinino l'ossido di nichel con il silicio, non c'è bisogno di tirare a indovinare le condizioni giuste; la strada verso il miglior materiale è diretta e risiede nel raggiungere quella specifica temperatura più elevata.