Moderniosios civilizacijos pagrindas: nanotechnologijos šviestukams

Mokslininkai dažnai susiduria su materijos pasipriešinimu – norint pakeisti medžiagų savybes, pritaikyti jas mūsų poreikiams, reikia daug kantrybės ir išradingumo. Viena tokia sritis – puslaidininkinės medžiagos. Galima drąsiai teigti, jog tai moderniosios civilizacijos pagrindas. Iš silicio, germanio, telūro, seleno sukurti kompozitai naudojami gaminant tranzistorius, integrines schemas, saulės elementus, fotodetektorius ir šviestukus.

Puslaidininkinių lazerių ir šviestukų paklausa sparčiai auga, rinka reikalauja vis efektyvesnių, ilgiau veikiančių ir ryškiau šviečiančių komponentų. Nors šviestukų kūrėjai jau yra pelnę dvi Nobelio premijas 2000-aisiais ir 2014-ais metais, ši sritis tebėra viena paslaptingiausių. Pavyzdžiui, kol kas nepavyksta sukurti našių šviesos šaltinių žaliosios ir raudonosios spektrų srityse.

Lietuvos optinės diagnostikos ir optoelektronikos specialistai kartu su pasauliu mėgina įminti šią technologinę mįslę.

VU fizikas prof. Kęstutis Jarašiūnas sako, kad šviestukai – žinomi prietaisai, bet egzistuoja viena fundamentali problema – kodėl stiprios injekcijos sąlygose, norint gauti kuo didesnę galią, nepavyksta to padaryti.

Lietuviai bando įminti mįslę

Šiuo metu VU Taikomųjų mokslų instituto optoelektronikos skyriaus ir Pažangiųjų technologijų skyriaus fizikai baigia vykdyti projektą „Optoelektronikos poreikiams skirtų nitritinių junginių heterosandarų netiesinė optinė ex situ diagnostika ir optimizavimas“, kurio tikslas – suvokti puslaidininkinėse medžiagose vykstančius procesus ir teikti rekomendacijas technologams. Buvo sukurta tyrimų bazė, kurioje naudojamos modernios lazerinės sistemos ir įvairūs optinės diagnostikos metodai.

„Pradžioje juos tyrėme objektuose, kurie buvo gaminami ne Lietuvoje. O dabar dirbame su kolegomis, kurie turi visas reikalingas šviestukų gamybos technologijas“, – „Mokslo ekspresui“ pasakoja K. Jarašiūnas.

Ne tik Lietuvos fizikai mėgina įminti šviestukų galios deficito mįslę. O kol kas kai kurios kompanijos šią problemą sprendžia, tiesiog padidindamos gaminamų šviestukų plotą. Akivaizdu, jog tik sudėtingi kompleksiniai tyrimai leis pasiekti lūžį.

„Į šviestukus per kontaktus injektuojami krūvininkai, kurie susitikę spinduliuoja šviesą. Bet tik ne nedidelė jų dalis atlieka šią funkciją. Mus domina – kur išnyksta likusieji? Eksperimentuose mes imituojame tuos procesus, naudodami lazerius. Stebime krūvininkų elgesį per pirmąsias kelias milijardines sekundės dali“, – teigia K. Jarašiūnas.

Manoma, kad būtent tos sekundės dalys ir lemia galutinį rezultatą – galios išeigą. Problema ne tik ta, kad krūvininkai paslaptingai išnyksta. Taip pat neaišku, kodėl jie neatsiranda toje vietoje, kur galėtų spinduliuoti.

„Kai atsiranda nuostoliai, visi galvoja, kad yra pakankamai krūvininkų, bet jie kažkur nuteka. Mes galvojame, kad jie nepasiekia tų kanalų. Kad jų ten tiesiog nėra. Tai keičia požiūrį į tą problemą“, – tvirtina K. Jarašiūnas.

Priminsime, kad svarbiausia šviestuko dalis, lemianti jo efektyvumą – aktyvioji sritis, kurioje krūvininkai – elektronai ir skylutės rekombinuoja. Šią sritį sudaro kvantinių duobių (arba šulinių) ir barjerų periodinė sluoksninė sandara. Tokie sluoksniai auginami epitaksijos būdu specialiame reaktoriuje, kuriame vandenilio arba azoto atmosfera prisotinama metaloorganinių medžiagų ir amoniako garų.

Indžio Galio nitrido sluoksniai yra nevienalyčiai, nes juose indžio atomai pasiskirsto nevienodai. Todėl ir spinduliuotės intensyvumas skirtingas: stipriau šviečia sritys, kuriose indžio kiekis didesnis. Mat krūvininkams energetiškai palankiau užimti vadinamuosius lokalizacijos centrus. Kadangi užauginamos reaktoriuose medžiagos struktūriškai netobulos, lokalizacijos centrai išsidėstę erdvėje gana chaotiškai. Tamsiose zonose tarp jų tūno krūvininkai, taip ir nepasiekę centrų.

„Manome, kad kai jų yra pakankamai, jie neužpildo tų centrų ir lieka tamsiose zonose, kur negali šviesti. Jie nyksta kitaip. Tai panašu į statybas. Kažkas veža žaliavas, kurias statybininkai mūrija. Todėl sakome, kad medžiagų trūksta – statybininkai dirba iš peties“, – teigia K. Jarašiūnas.

Tokio puslaidininkinio sluoksnio plokštuma primena dangų, kuriame žvaigždės šviečia nevienodai ryškiai, o žvaigždynai išsibarstę netvarkingai. Didinant struktūros sužadinimą lazerio spinduliu, tos „žvaigždės“ susilieja. Tačiau įvairios zonos vis tiek spinduliuoja nevienodai.

„Prasideda chemikų, fizikų bendravimo darbai. Ne mes vieni tuo rūpinamės, visas pasaulis ieško priežasčių. Kitose medžiagose tokios problemos nėra. Tai yra šios medžiagos savybė. Reikia ieškoti būdų, kaip ją sintetinti kokybiškesnę“, – tvirtina K. Jarašiūnas.

Tai galima palyginti su vėžio problema – nors patologijos priežastys iš principo aiškios, kol kas nežinia, kaip išspręsti šią problemą. Kristalų augintojai taip pat sako turį sprendimo būdų, tačiau jie brangiai kainuoja. Pavyzdžiui, galima auginti sluoksnius ne ant safyro kristalo, bet ant Ganitrido padėklo, tačiau tokio šviestuko kaina išaugtų šimtą kartų.

„Projekto tikslas – sukurti metodus, leidžiančius giliau pažvelgti į vyksmus medžiagoje. Tie metodai turi parodyti krūvininkų pasiskirstymą laike, energetinėje erdvėje ir spektrų erdvėje. T.y., sukurti spektriškai, laikiškai ir erdviškai kontroliuojamus diagnostikos metodus. Mes tai padarėme kartu su technologais“, – sako K. Jarašiūnas.

Lietuvos fizikai naudoja naujus, pačių sukurtus kompleksinius tyrimus. Holografinis matavimo būdas leidžia giliau įžvelgti krūvininkų judėjimo ypatumus, jų persiskirstymą erdvėje, gyvavimo trukmes, pamatyti spąstus, į kuriuos jie pakliūva. Pagrindiniai tyrimų instrumentai – Lietuvoje pagaminti pikosekundiniai ir femtosekundiniai lazeriai. Atominės jėgos mikroskopu galima pamatyti defektus užaugintuose sluoksniuose, taip vertinant struktūrinę užaugintų sluoksnių kokybę.

„Mūsų tikslas – suvokti vyksmus ir ta patirtimi dalijantis su užsienio partneriais, kooperuotis sprendžiant tolesnius uždavinius. Antai amerikiečiai, pasinaudoję mūsų lietuviškomis diagnostikos priemonėmis, sugebėjo pagaminti efektyvesnius gilaus UV šviestukus“, – tvirtina K. Jarašiūnas.

Naudojant metalo oksidų garų fazės epitaksijos metodą, kelis milijonus litų kainavusiame reaktoriuje gimsta daugiasluoksniai puslaidininkiai, kurios ir tiria prof. Kęstučio Jarašiūno grupės mokslininkai.

Masinėje gamyboje kol kas pritaikoma sunkiai

Technologas, dr. Arūnas Kadys teigia, kad šiame projekte mūsų pagrindinė užduotis buvo technologiniai tyrimai. Reikėjo epitaksiniu būdu užauginti šviestukų aktyviąsias sritis, keičiant auginimo parametrus, aktyvių sričių sluoksnių storius. Keičiant sudedamąsias medžiagas, metalų koncentracijas, ieškoti optimalių auginimo sąlygų tam tikroms kvantinėms duobėms, kurios tenkintų projekto tikslus.

Tyrėjai prisipažįsta, kad sunkiausia šio projekto metu buvo užauginti sluoksniuotą struktūrą, kuri būtų naudojama žalia spalva šviečiantiems šviestukams gaminti ir jų savybėms tirti.

„Mes naudojome nemažai technologinių gudrybių, pavyzdžiui, įtempimo inžineriją. Auginome kvantines duobes, naudodami įvairias sluoksnių konfigūracijas, daugybinius sluoksnius, gradientinius sluoksnius, kurie pagerino tų kvantinių duobių kristalines savybes ir optines savybes“, – sako A. Kadys

Naudojant epitaksijos technologiją, auginamo kristalo gardelės savybės atitinka padėklo, ant kurio auginamas kristalas, savybes. Pagrindinė problema – kaip užauginti kokybišką struktūrą su kvantinėmis duobėmis ant padėklo, kurio gardelės parametrai skiriasi nuo mūsų auginamų kristalų parametrų. Kuo didesni gardelės parametrų nesutapimai tarp padėklo ir auginamo sluoksnio arba tarp atskirų struktūrą sudarančių sluoksnių, tuo labiau tie sluoksniai įtempiami. Pasiekus tam tikrą ribą, auginamo sluoksnio įtempimas mažėja dėl susiformuojančių kristalinių defektų. Todėl teko gudrauti.

„Gradientiniai sluoksniai tolygiau paskirsto gardelėje atsirandančius įtempimus. Tai pagerina ir ant tokio sluoksnio užaugintų kvantinių duobių ar kvantinių lakštų kristalines kokybes. K. Jarašiūno grupė tyrinėjo optoelektrinius parametrus“, – pasakoja A. Kadys

Pagrindinis tikslas – užauginti kuo labiau monokristalinį sluoksnį. Idealus kristalas šviestukams tiktų labiausiai, nes pasižymėtų didžiausiu kvantiniu našumu. Deja, šiuo metu tai sunkiai pasiekiama. Be to, šviestuke kvantinės duobės įkalina krūvininkus tik viena kryptimi. Kvantinės duobės sluoksnio plokštumoje elektronai juda laisvai.

„Aišku, būtų idealu padaryti šulinius trimačius arba taip vadinamus kvantinius taškus. Tada būtų dar efektyvesnis šviesos diodas. Bet tai susiję su sudėtingesniais technologiniais sprendimais“, – teigia A. Kadys

Pasaulyje jau galima rasti tokiu būdu pagamintų prietaisų. Tačiau kol kas ši technologija sunkiai pritaikoma masinėje gamyboje dėl papildomų brangių ir sudėtingų technologinių procedūrų. Tokios užaugintos kvantinės duobės vadinamos skylėtomis duobėmis. Parinkus tinkamas auginimo sąlygas, galima susiformavusius nanometrinius sluoksnius išgarinti tam tikrose plokštumos vietose. Likę InGa nitrido lopinėliai suformuotų trimačius šulinius.

„Tai nebūtinai teisingas kelias. Tai gali padidinti kvantinį našumą, bet kartu sumažinti bendrą plotą, iš kurio išspinduliuojama šviesa“, – teigia A. Kadys

Kitaip sakant, tenka vėl pakartoti pradžioje išsakytą teiginį, jog gamta nenoriai pasiduoda manipuliacijoms. Tačiau žingsnis po žingsnio artėjama prie tikslo. Projekto metu pavyko sukurti daugiafunkcinę matavimo sistemą, leidžiančią optiniais metodais sekti labai sparčius vyksmus kvantinėse sandarose, taip įvertinant užauginto sluoksnio elektrines ir optines savybes ir pagal jas prognozuoti, ar sandara tinka šviestuko gamybai. Testavimas atliekamas lazerio pluošteliu sužadinus elektronus kvantinėje sandaroje ir stebint jų elgesį.

„Kompleksiniai matavimai parodo, kad krūvininkai pasidaro labai judrūs, jie išplinta spektre ir erdvėje. Tada nėra susifokusavimo į tam tikrą spektro dalį. Jie visur išsibarsto ir negali efektyviai šviesti. Problemos atsiremia į technologiją – kaip juos sugrupuoti“, – teigia A. Kadys.

Keičiant auginimo sąlygas bei sandarų vidinę struktūrą, buvo užaugintos šviestukų aktyvios sritys. Jos palygintos pagal emisijos parametrus, nustatytos optimalios auginimo sąlygos. Optimizuotos auginimo technologijos leido pasiekti beveik 40 proc. efektyvumą.

„Esame pateikę labai daug struktūrų K. Jarašiūno grupei. Jie daug ką ištyrė. Parašė ne vieną straipsnį, kur pateikiama naujų žinių, kaip pagerinti šviestukų efektyvumą“, – „Mokslo ekspresui“ sako A. Kadys.

„Jeigu pavyktų su ta pačia technologija padaryti raudoną, žalią ir mėlyną šviestukus, tada gausime baltą spektrą. Šiuo metu elgiamasi paprasčiau: mėlynas šviestukas padengiamas liuminoforu“, – teigia A. Kadys.

Galbūt galios deficito problemą pavyks išspręsti kitais būdais? Prinstono universiteto mokslininkai sugebėjo keliasdešimčia procentų padidinti iš lanksčių anglimi pagrįstų lakštų pagamintų žalių šviestukų našumą. Paprastai labai maža šviesos dalis – vos keli procentai sugeba pasprukti iš šviestuko struktūros.

Vieno mokslininko grupės nariai sukūrė nanostruktūrą, pavadintą „PlaCSH“ (plazmoninė ertmė su mažesnio nei šviesos bangos ilgis skylučių matrica). Ji 60 proc. padidino šviesos išeigą ir net 400 procentų – iš šviestukų pagaminto ekrano vaizdo kontrastą.

Šis pavyzdys liudija, kad žmogaus išradingumas gali įveikti net milijonus metų patirties turinčios gamtos apribojimus.