Czy powstaną nowe, tańsze i bardziej przyjazne środowisku materiały do zastosowania w ekranach dotykowych? Naukowcy z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Karlsruhe Institut für Technologie startują z ambitnym projektem. Będą opracowywać nowe materiały, które być może zastąpią obecnie używany i stosowany w większości urządzeń z ekranem dotykowym tlenek indowo-cynowy (ITO). Projekt uzyskał finansowanie przez Narodowe Centrum Nauki w ramach programu Opus.

Przezroczyste elektrody znajdują się w każdym urządzeniu z ekranem dotykowym. Nowo opracowywane materiały mają zachować cenne właściwości ITO, takie jak wysoka przezroczystość i przewodność elektryczna. Elektrody muszą być nie tylko przezroczyste, aby użytkownicy mogli widzieć obraz na ekranie, ale również przewodzące elektryczność, aby efektywnie rejestrować dotyk. Przezroczystość jest kluczowa dla jasności i klarowności obrazu, podczas gdy przewodność jest niezbędna do szybkiego i dokładnego rejestrowania dotyku użytkownika.

Alternatywa poszukiwana

Projektem kieruje dr hab. Michał Borysiewicz z Łukasiewicz – MiF. Badania skupią się na opracowaniu materiałów przezroczystych i przewodzących o nowej nanostrukturze, czyli nanocząstkach metali (M) w amorficznej osnowie tlenku krzemu (SiO₂), oznaczone jako M-Si-O. Dotychczas były one badane i wykorzystywane jako bariery zapobiegające dyfuzji metali w strukturach kontaktów elektrycznych do przyrządów wysokiej mocy. Stabilność ta wynika z obecności tlenku krzemu, który jest materiałem stabilnym nawet w podwyższonych temperaturach, wynikających z wysokich natężeń prądów występujących w takich przyrządach. Niestety, obecnie znane są jedynie materiały M-Si-O zawierające metale szlachetne, jak ruten czy iryd, co ma przełożenie na wysoki koszt ich wytwarzania. Przewidywania teoretyczne wskazują również możliwość wytworzenia materiałów typu M-Si-O z udziałem bardziej powszechnych – czyli tańszych – metali, do czego dążyć będą badacze.

Struktura zespołu projektowego umożliwi szeroko zakrojone prace. Będą one obejmować modelowanie potencjalnych „kandydatów” na metale mogące zostać użyte w materiałach M-Si-O. Następnie syntezę nowych materiałów M-Si-O ze zidentyfikowanych „kandydatów”, badanie ich własności strukturalnych i chemicznych w celu zrozumienia mechanizmów ich formowania, a także opisanie ich własności transportu elektrycznego.

Działania te pozwolą na wytworzenie uogólnionego opisu grupy M-Si-O i sformułowanie reguł wyboru pierwiastków dla wytworzenia materiałów M-Si-O o określonych własnościach aż do opracowania optymalnego modelu materiałów tego typu.

– Dzięki technice magnetronowego rozpylania katodowego, w której się specjalizujemy, możemy tworzyć cienkie warstwy złożonych materiałów bez konieczności syntezy nanocząstek i mieszania ich z SiO2. Dotychczas był to bardzo skomplikowany i długi proces. Teraz zostanie on znacznie uproszczony. – powiedział Michał Borysiewicz, Lider obszaru materiałów porowatych, Grupa Badawcza Materiały dla Energetyki Łukasiewicz – MiF

Co szczególnie ważne, mikrostruktura nowych materiałów zostanie zobrazowana z zastosowaniem tomografii sondą atomową (APT). Ta metoda umożliwia wytworzenie trójwymiarowych obrazów wnętrza materiału z rozdzielczością atomową i jest nieodzowna dla zrozumienia własności materiałów takich jak M-Si-O, w których w osnowie jednego materiału występują nanocząstki innego. Dokładne opisanie powierzchni nanocząstek pozwoli na opracowanie realistycznego opisu mechanizmów przepływu prądu w materiałach M-Si-O.

Ponieważ badane materiały są przewodzące, a ich struktura jest bardzo nietypowa, w projekcie będą prowadzone zaawansowane pomiary własności transportu elektronowego. Działaniami będzie kierować dr hab. Marta Gryglas-Borysiewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ekspertka od pomiarów transportu „trudnych” materiałów. Wyniki badań strukturalnych i transportowych będą stanowić wkład do prac obliczeniowych, prowadzonych przez prof. Jacka Majewskiego z Wydziału Fizyki UW. Ich celem jest określenie mechanizmu transportu zarówno w samym materiale, jak i przez M-Si-O/półprzewodnik, co jest kluczowe dla zastosowania tych materiałów jako przezroczystych elektrod.

Nie tylko technologia. Również etyka i ekologia

Tlenek indowo-cynowy jest standardowym materiałem, stosowanym dziś w ekranach dotykowych, ale jego produkcja wiąże się z etycznymi i środowiskowymi problemami związanymi z wydobyciem indu. Dlatego szukamy tańszych i mniej problematycznych metali, które mogłyby zastąpić ind w przezroczystych elektrodach w ekranach dotykowych dzięki nanotechnologii. Ważną motywacją do podjęcia projektu jest, oprócz chęci rozwoju nowych technologii, wymiar społeczny i środowiskowy związany z wydobyciem indu.

– Pragniemy stworzyć materiał, który jest nie tylko wydajniejszy, ale także bardziej odpowiedzialny społecznie i przyjazny dla środowiska. Przezroczyste elektrody są nieodzowne w każdym urządzeniu z ekranem dotykowym i nasze badania mogą znacząco wpłynąć na całą branżę. Myślę, że docenili ten aspekt również recenzenci. Nasz projekt był bowiem jedynym z Sieci Badawczej Łukasiewicz wybranym do finansowania w konkursie Opus 25. – powiedział Michał Borysiewicz.

Źródło: Sieć Badawcza Łukaszewicz IMiF