Van zinkoxide worden jaarlijks duizenden tonnen gefabriceerd voor toepassingen van voedingsmiddel toevoeging tot zonnebrandmiddel. Zelfs als halfgeleider is het bruikbaar maar de grote doorbraak is er nog niet. De dotering is nog niet perfect. Chemici van de Ruhr-Universität Bochum zijn wat dichter bij de oorzaak gekomen.
Vooral door problemen met de p-dotering lukte de fabricage van zinkoxide halfgeleiderelementen als transistoren of lichtdioden tot nu toe niet. Daarvoor is een pn-overgang noodzakelijk, een grenslaag tussen gebieden met een p- en een n-dotering. Daarom wordt zinkoxide momenteel alleen als halfgeleider gebruikt in enkele speciale toepassingen.
Altijd waterstof
De sleutel voor grootschalige inzet van ZnO als halfgeleider ligt vooral in de sturing van de concentratie van waterstof tijdens de productie van zuiver zinkoxide. De chemici hebben met een experiment bewezen dat waterstofatomen het proces verstoren.
De laatste jaren is er vooruitgang bij de vervaardiging van zuiver zinkoxide. Onlangs werden blauwe lichtdioden van zinkoxide getoond. Toch bestaat er nog steeds een belangrijk probleem bij de dotering.
Onderzoekers van de Ruhr-Universiteit Bochum konden om een belangrijke hindernis bij de vervaardiging van zuiver zinkoxide vaststellen.
Tijdens experimenten, die eigenlijk bedoeld waren door de interesse voor de katalytische eigenschappen van ZnO, konden ze aantonen dat waterstofatomen steeds voor een dotering zorgen. Het is hen gelukt om zinkoxide-substraat omkeerbaar met waterstof te doteren en daarna de waterstof door verhitting volledig te verwijderen.
De gebruikte techniek, een speciale variant van elektronenspectroscopie, wordt normaal gesproken voor een ander doel gebruikt: het onderzoek van chemische processen aan de zinkoxide oppervlakken. Zulke verschijnselen worden aan de Ruhr-Universität Bochum al vele jaren onderzocht in het kader van een speciaal onderzoek SBF 558, ‘Metaalsubstraat wisselwerkingen in de heterogene katalyse’, dat belangrijk is voor de methanolsynthese.
Theorie
Met hun onderzoek bevestigen de chemici theoretische voorspellingen uit het jaar 2000. Ze konden de overeenkomstige veranderingen van de ladingdragerconcentraties, essentieel voor de vervaardiging van elektronische onderdelen, bewijzen met een speciale techniek van metingen bij verschillende temperaturen. De verontreinigingen met waterstof, het onvermijdbare gevolg van de productieprocessen, staan daarbij een gerichte p-dotering in de weg.
De door de H- atomen aan het ZnO afgegeven elektronen vullende door de p-dotering ontstane gaten onmiddellijk op. Voor de productie van zuiver zinkoxide speelt dus de afwezigheid van waterstof een doorslaggevende rol. Het in de afbeelding getoonde effect is echter alleen gunstig voor de n-dotering; bij de even belangrijke p-dotering stoort het.
Einde aan controverse
De onderzoekers beëindigen daarmee ook een wetenschappelijke controverse waarin tot nu toe werd aangevoerd, dat de doteringsproblemen werden veroorzaakt door defecten in het kristalrooster van zinkoxide, door aanvullende Zn- of het ontbreken van O-atomen. De in Bochum bereikte resultaten staan aan de basis voor de vervaardiging van krachtige, op ZnO gebaseerde elektronische bouwstenen. Momenteel werken de onderzoekers er intensief aan om door inbouw van geschikte atomen een juiste dotering te bereiken.
