Nowa platforma do mikroskopii mikrofalowej umożliwia opracowywanie wysokiej jakości materiałów półprzewodnikowych
Nanotechnologia rozwija się w bardzo szybkim tempie i powoli znajduje zastosowanie w coraz większej liczbie produktów. Dotychczas głównym obszarem jej wykorzystania były mikrochipy, jednak postępy technologiczne otworzyły drogę do wielu nowych zastosowań, takich jak medycyna, energetyka, akumulatory, paliwa i czujniki chemiczne. Do pomyślnego wytwarzania produktów nanotechnologicznych konieczne jest lepsze zrozumienie zachowania materii w skali atomowej. „Jakość i parametry robocze wytwarzanych produktów w dużej mierze zależą od obserwowanych w nanoskali chemicznych, elektrycznych, elektronowych i optycznych własności materiałów. Precyzyjną kontrolę nad parametrami można uzyskać poprzez modyfikację płaszczyzn styku materiałów”, zauważa Kamel Haddadi, koordynator finansowanego ze środków UE projektu MMAMA. „Dogłębne zbadanie właściwości powierzchni międzyfazowych jest niezwykle istotne, ponieważ często maskują lub modyfikują one własności półprzewodników objętościowych, co utrudnia projektowanie produktów”.
Obrazowanie trudno uchwytnych właściwości
W ramach projektu MMAMA opracowano nową platformę do obrazowania, która stanowi połączenie instrumentów pomiarowych i narzędzi do modelowania oraz która umożliwia dokładną analizę powierzchni międzyfazowych i modelowanie ich właściwości. „Dzięki naszej platformie do mikroskopii mikrofalowej można przeprowadzać zaawansowane badania materiałów półprzewodnikowych stosowanych w ogniwach słonecznych i obwodach elektronicznych”, dodaje Haddadi. Skaningowa mikroskopia mikrofalowa pozwala w nieinwazyjny sposób studiować istotne zjawiska zachodzące w skali miliardowych części metra. Mówiąc ogólnie, mikroskopia mikrofalowa pola bliskiego łączy wyjątkową rozdzielczość przestrzenną mikroskopu sił atomowych z doskonałymi możliwościami przeprowadzania pomiarów elektrycznych, jakimi charakteryzuje się wektorowy analizator obwodów. Sonda mikroskopu sił atomowych ustawia się nad powierzchnią próbki, w odległości kilku nanometrów, po czym skanuje ją, emitując sygnał mikrofalowy, który jest rozpraszany przez materiał. Długość mikrofali jest większa niż rozmiary powierzchni badanego nanomateriału. Jednak gdy mikrofale pola bliskiego są emitowane z bardzo niewielkiej odległości, pozwalają uzyskać zaskakująco dokładny obraz próbki. „Zespół projektu MMAMA udowodnił, że najnowocześniejszą technologię skaningowej mikroskopii mikrofalowej można udoskonalić pod względem czułości oraz rozdzielczości przestrzennej i czasowej, umożliwiając stosowanie różnego rodzaju sond mikrofalowych, takich jak końcówki kamertonowe”, mówi Haddadi. „Nasza platforma stanowi połączenie narzędzi do skaningowej mikroskopii mikrofalowej, obrazowania radarowego w wolnej przestrzeni, spektroskopii impedancyjnej, rezonatora dielektrycznego i modeli symulacyjnych”. Nowo opracowany dzielony rezonator dielektryczny o częstotliwości 10 GHz zamontowano na przenośnym skanerze kanałowym przeznaczonym do badania makroskalowych właściwości materiałów, takich jak stała dielektryczna. Krzyżowa weryfikacja wyników z różnych instrumentów i modeli symulacyjnych pozwala uzyskać wiarygodne pomiary.
Technologia do wielu zastosowań
W przypadku ogniw słonecznych trzeciej generacji skaningowa mikroskopia mikrofalowa pozwala obrazować ładunki przesuwające się między warstwami przez powierzchnie rozdziału faz i gromadzące się selektywnie na elektrodach. „Instrumenty do skaningowej mikroskopii mikrofalowej umożliwiają określanie właściwości elektrycznych nanostrukturalnych półprzewodników organicznych lub hybrydowych stosowanych w ogniwach słonecznych nowej generacji. Pomagają przewidzieć parametry robocze na wczesnym etapie przygotowywania prototypu, co przełoży się na przyspieszenie wprowadzania na rynek ogniw słonecznych o wysokiej wydajności. Wykorzystując doświadczenia w wykonywaniu pomiarów mikroskopowych, można montować rezonator dielektryczny bezpośrednio na liniach produkcyjnych wyrobów fotowoltaicznych w celu monitorowania procesu nakładania cienkich warstw”, wyjaśnia Haddadi. Opracowana w ramach projektu MMAMA zaawansowana wieloskalowa platforma mikrofalowa może być stosowana także w przypadku tradycyjnych układów elektronicznych opartych na złączach p-n, czyli połączeniach między półprzewodnikami zawierającymi nośniki o ładunkach dodatnich i ujemnych. Nowa platforma mikrofalowa, stanowiąca połączenie instrumentów pomiarowych, oprogramowania oraz narzędzi do kalibracji i modelowania, powinna umożliwić szybsze opracowywanie nowych materiałów półprzewodnikowych i nanourządzeń.
Słowa kluczowe
MMAMA, mikroskopia mikrofalowa, półprzewodnik, granice faz, ogniwa słoneczne, rezonator dielektryczny, modelowanie
