תחמוצת הפניום

תחמוצת הפניום, המכונה גם הפניה, היא תרכובת כימית אי-אורגנית בעלת הנוסחה הכימית HfO2. התחמוצת היא מוצק חסר צבע שאינו מסיס כלל. תחמוצת הפניום היא אחת הצורות היציבות והנפוצות ביותר של היסוד הפניום. התחמוצת היא מבודד בעל פער אנרגיה של 5.3-5.7 אלקטרון וולט.

תחמוצת הפניום היא מוצק אינרטי למדי, אולם היא מגיבה עם חומצות חזקות כגון חומצה גופרתית מרוכזת, ויכולה להגיב גם עם בסיסים חזקים. התחמוצת מתמוססת באיטיות בחומצה הידרופלואורית.

מבנה
תחמוצת הפניום נמצאה בניסויים במספר מבנים גבישיים, ובהם מבנה קובי, טטרגונלי, מונוקליני ואורתורומבי.

שכבות דקות של הפניום, בדרך כלל בעובי של ננומטרים בודדים, המשמשות במספר התקני מיקרואלקטרוניקה מודרניים (ראו: שימושים), הן לעיתים קרובות בעלות מבנה אמורפי. בגלל יתרונות אפשריים של המבנה האמורפי, לעיתים מסגסגים את תחמוצת ההפניום עם תחמוצת סיליקון או תחמוצת אלומיניום על מנת להעלות את טמפרטורת ההתגבשות של החומר.

שימושים

מיקרואלקטרוניקה
טרנזיסטורי MOSFET.
אחרי למעלה מעשור של מחקר אינטנסיבי באקדמיה ובתעשייה, בשנת 2007 הוציאה יצרנית המעבדים אינטל את המעבדים הראשונים הכוללים תחמוצת המבוססת על הפניום כמבודד השער של הטרנזיסטור, בדור ה-45 ננומטר. מדובר בדור הראשון של מבודדי השער המכונים high-k dielectrics, או חומרים דיאלקטריים בעלי מקדם גבוה. חומרים אלה החליפו את תחמוצת הסיליקון אשר שימשה כמבודד השער מאז הימים הראשונים של טרנזיסטורי ה-MOSFET. החלפת תחמוצת הסיליקון יצרה אתגרים רבים, במיוחד בתחומי הנדסת חומרים, והיא נועדה על מנת לאפשר להמשיך במגמת המזעור של ההתקנים, או בשמה הפופולרי חוק מור.

המקדם הדיאלקטרי של תחמוצת ההפניום הוא 4-6 פעמים גבוה יותר מזה של תחמוצת הסיליקון אותה החליף, והערך המדויק תלוי בעיקר במבנה הגבישי ובהרכב הכימי של התחמוצת. השיטה הנפוצה ביותר לגידול שכבות דקות של תחמוצת הפניום היא Atomic Layer Deposition, אולם ניתן לגדל את התחמוצת גם באמצעות שיטות כגון MOCVD, נידוף באמצעות קרן אלקטרונים, ו-reactive sputtering. שינויים קטנים בפרמטרים של גידול התחמוצת יכולים להביא לשינויים ניכרים בריכוז הפגמים, הזיהומים, ההרכב והמבנה הגבישי, ובכך להשפיע בצורה משמעותית על התכונות החשמליות של התחמוצת.

זכרונות. תחמוצת הפניום מתאימה לשימוש גם כשכבה המבודדת בזיכרונות פלאש. לאחרונה תחמוצות הפניום מושכות עניין גם ביישומים של זכרונות מסוג resistive switching. ביישומים אלה משתמשים לפעמים בתחמוצות עם פגמים כגון היעדרויות חמצן.

קבלים. תחמוצת הפניום שימושית גם בקבלי מיקרואלקטרוניקה מסוג מתכת-מבודד-מתכת (MIM), וזאת בעיקר בזכות המקדם הדיאלקטרי הגבוה, פער האנרגיה המתאים וההתאמה לתהליכי הייצור.

שימושים נוספים
תחמוצת הפניום משמשת גם בציפויים אופטיים, וגם ביישומים מיוחדים של בידוד תרמי, כמו למשל בצמדים תרמיים היכולים להגיע לטמפ' של 2500 מעלות צלזיוס.

הערות שוליים

תרכובות אי-אורגניות
תחמוצות