Nadchodzi nowa era w technologii ekranów dotykowych

Naukowcy z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki, Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego oraz Karlsruhe Institut für Technologie (KIT) rozpocznie pracę nad przełomowym projektem, który ma potencjał zrewolucjonizować rynek technologii ekranów dotykowych. Projekt ten, wspierany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach prestiżowego programu Opus, skupi się na opracowaniu nowych, przezroczystych i przewodzących elektrod, które mogłyby zastąpić szeroko stosowany obecnie tlenek indowo-cynowy (ITO).

Przełom w materiałach: Nanocząstki metali w osnowie tlenku krzemu

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

Projektem pokieruje dr hab. Michał Borysiewicz z Łukasiewicz – Instytutu Mikroelektroniki i Fotoniki. Badania skupią się na opracowaniu materiałów przezroczystych i przewodzących o nowej nanostrukturze — nanocząstkach metali (M) w amorficznej osnowie tlenku krzemu (SiO₂), oznaczonych 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 stałym 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, takie jak ruten czy iryd, co ma przełożenie na wysoki koszt ich wytwarzania. Teoretycznie istnieje możliwość wytworzenia materiałów typu M-Si-O z udziałem bardziej powszechnych metali, do czego dążyć będą badacze. 

Zaawansowane technologie w służbie nauki

Nowe podejście badawcze obejmuje: modelowanie potencjalnych kandydatów na metale mogące zostać użyte w materiałach M-Si-O, syntezę materiałów M-Si-O ze zidentyfikowanych kandydatów, badania ich strukturalnych i chemicznych właściwości w celu zrozumienia mechanizmów ich formowania, oraz 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, który teraz zostanie znacznie uproszczony — wyjaśnia Michał Borysiewicz.

Mikrostruktura nowych kompozytów zostanie zobrazowana z zastosowaniem tomografii sondą atomową (APT). Technika ta pozwala na tworzenie trójwymiarowych obrazów wnętrza próbek z rozdzielczością atomową i jest niezbędna dla zrozumienia właściwości takich systemów, jak M-Si-O – gdzie w osnowie jednego komponentu występują nanocząstki innego. Dokładne opisanie powierzchni tych nanocząstek umożliwi opracowanie realistycznego opisu mechanizmów przepływu prądu w tych materiałach. — W Polsce nie istnieje ani jedno urządzenie do pomiarów APT, dlatego też do projektu zaprosiłem dr. Torbena Bolla z KIT, z którym miałem już okazję współpracować — mówi dr Borysiewicz.

Ponieważ badane materiały są przewodzące, a ich struktura jest bardzo nietypowa, w projekcie prowadzone będą zaawansowane pomiary własności transportu elektronowego, a pracami kierować będzie dr hab. Marta Gryglas-Borysiewicz z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, ekspertka od pomiarów transportu „trudnych” materiałów. Wyniki badań strukturalnych i transportowych stanowić mają 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.  

Etyka i ekologia: Nowe priorytety

Projekt nie tylko odpowiada na technologiczne wyzwania, ale też kieruje uwagę na etyczne i środowiskowe aspekty produkcji tradycyjnych materiałów, takich jak ITO. Wydobycie indu stanowi poważne obciążenie dla środowiska, dlatego też zespół dr. Borysiewicza stawia na rozwój alternatyw, które będą tańsze i mniej szkodliwe dla natury.

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

Start projektu zaplanowany jest na jesień tego roku, a jego rezultaty mogą nie tylko zmienić sposób produkcji ekranów dotykowych, ale także przyczynić się do znaczącej poprawy ekologicznej efektywności i obniżenia kosztów produkcji. 

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 26 września 2024. Zapisz się już dziś!