Forskningsindsats skaber nye legeringer, fasediagram

Et multiinstitutionelt team ledet af US Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) opdagede en måde at skabe nye legeringer, der kunne danne grundlag for næste generations halvledere.

Halvlederlegeringer findes allerede-ofte fremstillet af en kombination af materialer med lignende atomarrangementer-men indtil nu mente forskere, at det var urealistisk at lave legeringer af bestemte bestanddele.

"Måske har forskere tidligere set på to materialer og sagt, at jeg ikke kan blande disse to. Det, vi siger, er at tænke igen, " sagde Aaron Holder, en tidligere NREL post-doc forsker og nu forskningsfakultet ved University of Colorado Boulder. Holder er korresponderende forfatter til et nyt papir i Videnskab fremskridt med titlen Nyt fasediagram adfærd og materialedesign i heterostrukturelle halvlederlegeringer. "Der er en måde at gøre det på."

Forskere forbundet til Center for Next Generation of Materials by Design (CNGMD) fik gennembruddet og tog ideen fra teori til virkelighed. Et Energy Frontier Research Center, som er støttet af Energiministeriets Videnskabskontor og forskere fra NREL, Colorado School of Mines, Harvard Universitet, Lawrence Berkeley National Laboratory, Massachusetts Tekniske Institut, Oregon State University, og SLAC National Accelerator Laboratory.

"Det er et rigtig godt eksempel på, hvad der sker, når man samler forskellige institutioner med forskellige muligheder, "sagde Holder. Hans medforfattere fra NREL er Stephan Lany, Sebastian Siol, Paul Ndione, Haowei Peng, William Tumas, John Perkins, David Ginley, og Andriy Zakutayev.

Et uoverensstemmelse mellem atomarrangementer forhindrede tidligere oprettelsen af ​​visse legeringer. Forskere med CNGMD var i stand til at skabe en legering af manganoxid (MnO) og zinkoxid (ZnO), selvom deres atomstrukturer er meget forskellige. Den nye legering vil absorbere en betydelig brøkdel af naturligt sollys, selvom hverken MnO eller ZnO hver for sig kan. "Det er en meget givende form for forskning, når man arbejder som et team, forudsige et materiale beregningsmæssigt, og få det til at ske i laboratoriet, "Sagde Lany.

Brug af varme, det er allerede muligt at blande en lille procentdel af MnO med ZnO, men at nå en 1:1 blanding ville kræve temperaturer langt højere end 1, 000 grader Celsius (1, 832 grader Fahrenheit), og materialerne ville skilles igen, når de afkøles.

Forskerne, der også skabte en legering af tinsulfid og calciumsulfid, deponerede disse legeringer som tynde film ved hjælp af pulseret laseraflejring og magnetronforstøvning. Ingen af ​​metoderne krævede så høje temperaturer. "Vi viser, at kommercielle tynde filmaflejringsmetoder kan bruges til at fremstille heterostrukturelle legeringer, åbner en vej til deres anvendelse i virkelige halvlederapplikationer, "sagde medforfatter Zakutayev.

Forskningen gav et første kig på fasediagrammet for heterostrukturelle legeringer, afslører en forudsigende rute for egenskaber ved andre legeringer sammen med et stort område med metastabilitet, der holder elementerne kombineret. "Legeringen vedvarer på tværs af hele dette rum, selvom den termodynamisk bør faseseparere og nedbrydes, "Sagde Holder.