Team rapporterer gigantisk respons fra halvledere til lys

I et eksempel på ordsproget "alt gammelt er nyt igen", rapporterer MIT-ingeniører om en ny opdagelse inden for halvledere, velkendte materialer, der har været i fokus for intens undersøgelse i over 100 år takket være deres mange anvendelser i elektroniske enheder.

Holdet fandt ud af, at disse vigtige materialer ikke kun bliver meget stivere som reaktion på lys, men effekten er reversibel, når lyset slukkes. Ingeniørerne forklarer også, hvad der sker på atomær skala, og viser, hvordan effekten kan tunes ved at lave materialerne på en bestemt måde – introducere specifikke defekter – og bruge forskellige farver og lysintensiteter.

"Vi er begejstrede for disse resultater, fordi vi har afsløret en ny videnskabelig retning i et ellers meget velkendt felt. Derudover fandt vi ud af, at fænomenet kan være til stede i mange andre forbindelser," siger Rafael Jaramillo, Thomas Lord Lektor i Materials Science and Engineering ved MIT og leder af teamet.

Siger Ju Li, en anden MIT-professor involveret i arbejdet, "at se defekter, der har så store effekter på elastisk respons, er meget overraskende, hvilket åbner døren til en række forskellige anvendelser. Beregning kan hjælpe os med at screene mange flere sådanne materialer." Li er Battelle Energy Alliance Professor i Nuclear Science and Engineering (NSE) med en fælles ansættelse i Institut for Materials Science and Engineering (DMSE). Både Jaramillo og Li er også tilknyttet Materials Research Laboratory.

Arbejdet er rapporteret i 3. august-udgaven af ​​Physical Review Letters . Det resulterende papir blev fremhævet som et redaktørforslag. Det er også omdrejningspunktet for en ledsagende synopsis til Physics Magazine med titlen "Semiconductors in the Spotlight" af Sophia Chen.

Yderligere forfattere til papiret er Jiahao Dong og Yifei Li, DMSE-kandidatstuderende, som har bidraget lige så meget til arbejdet; Yuying Zhou, en DMSE-gæstestuderende fra Shanghai Institute of Applied Physics; Alan Schwartzman, en DMSE-forsker; Haowei Xu, en kandidatstuderende i NSE; og Bilal Azhar, en DMSE-undergraduate, der dimitterede i 2020.

Spændende problem

Jaramillo husker, at han var fascineret af en 2018-opgave i Science viser, hvordan en halvleder lavet af zinksulfid bliver mere skør, når den udsættes for lys. "Når [forskerne] skinnede lys på den, opførte den sig som en kiks. Den knækkede. Da de slukkede lyset, opførte den sig mere som en gummibjørn, hvor den kunne klemmes uden at gå i stykker."

Hvorfor? Jaramillo og kolleger besluttede at finde ud af det.

Undervejs reproducerede holdet ikke kun Science-arbejdet, men viste også, at halvlederne ændrede deres elasticitet, en form for mekanisk stivhed, når de blev udsat for lys.

"Tænk på en hoppebold," siger Jaramillo. "Grunden til, at den hopper, er, at den er elastisk. Når du smider den på jorden, deformeres den, men springer derefter straks tilbage (det er derfor, den hopper). Hvad vi opdagede, hvilket egentlig var ret overraskende, er, at de elastiske egenskaber [af halvledere] ] kan undergå enorme ændringer under belysning, og at disse ændringer er reversible, når lyset er slukket."

Hvad sker der

I det nuværende arbejde lavede holdet en række eksperimenter med zinksulfid og to andre halvledere, hvor de målte materialernes stivhed under forskellige forhold, såsom lysintensitet, ved hjælp af en følsom teknik kaldet nanoindentation. I den teknik registrerer en diamantspids, der bevæges hen over overfladen af ​​materialet, hvor meget kraft det kræver at skubbe stiften ind i de øverste 100 nanometer, eller milliardtedele af en meter, af overfladen.

De udførte også computersimuleringer af, hvad der kunne ske på atomær skala, og udviklede langsomt en teori for, hvad der skete. De opdagede, at defekter eller manglende atomer i materialerne spillede en væsentlig rolle i materialernes mekaniske respons på lys.

"Disse ledige stillinger får materialets krystalgitter til at blødgøre, fordi nogle af atomerne er længere fra hinanden. Tænk på folk i en metrovogn. Det er nemmere at klemme flere mennesker ind, hvis der er større mellemrum mellem dem," siger Jaramillo.

"Under belysning bliver de tilstedeværende atomer ophidsede og bliver mere frastødende. Det er som om de mennesker i metrovognen pludselig begyndte at danse og kaste armene rundt," fortsatte han. Resultatet:atomerne modstår stærkere at blive pakket tættere sammen, og materialet bliver mere mekanisk stift.

Holdet opdagede hurtigt, at de kunne justere den stivhed ved at ændre intensiteten og farven på lyset og ved at lave specifikke defekter i materialerne. "Det er rart, når man kan reducere noget til defekt teknik, for så kan man tilslutte sig en af ​​materialeforskernes kernekompetencer, som er at kontrollere defekterne," sagde Jaramillo. "Det er stort set det, vi lever af." + Udforsk yderligere

Stort fremskridt med hensyn til at skabe en ny familie af halvledermaterialer

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.