En ny opskrift til effektivt at fjerne iboende defekter fra hårde krystaller

Et team af forskere fra Osaka University, Instituttet for Højtryksfysik og Instituttet for Nuklear Forskning ved det russiske Videnskabsakademi (Rusland), og TU Dresden (Tyskland), opdaget en effektiv metode til at fjerne gitterdefekter fra krystaller. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i Journal of Physics:Materials.

bor, en halvleder, har en række krystalstrukturer, men alle af dem har store mængder gitterdefekter, der ødelægger tilstanden af ​​krystallinsk orden. I dette studie, holdet opnåede en ordnet fase af bor ved at tilsætte brint (hydrogenering) ved høje temperaturer og gennem dehydrogenering ved lavtemperaturudglødning. Denne nye metode er det teoretiske resultat af forskergrupperne i Japan og Tyskland af et fænomen, som de russiske grupper opdagede i eksperimenter.

Gitterdefekter i alle materialer påvirker mange af deres elektriske egenskaber. Korrekt anvendelse af krystallinske defekter er nyttig i elektroniske applikationer af halvledere. Den elektriske ledningsevne af halvledere kan forbedres ved doping for at producere halvledere af n (negativ) type eller p (positiv) type. Denne kontrol af gitterdefekter kaldes "valenselektronkontrol" og opnås ved at placere dopemidler (urenheder) i atomstederne. Imidlertid, urenhedsatomer, der optager de interstitielle steder, er ikke nyttige til at kontrollere valenselektroner.

I en borkrystal, mange atomer er tilfældigt arrangeret i de interstitielle steder (figur 1 (a)). Ud over, dens krystalstruktur var for hård til, at de interstitielle atomer kunne nå ønskelige steder. For at gøre borkrystaller til fremragende halvledermaterialer, det er nødvendigt at omarrangere tilfældigt fordelte boratomer til en ordnet struktur.

Dermed, dette team skabte α-tetragonal (α-T) bortkrystal ved en høj temperatur og tryk, med en stor mængde brint som dopingmiddel. De opnåede prøver havde mange defekter. Som vist i figur 1 (a), mens B ₁₂ icosahedral borklynger (grå) er bestilt, boratomer (røde) og hydrogenatomer i de interstitielle steder er tilfældigt arrangeret (hydrogenatomer er udeladt i figuren). Senere, når prøverne indvindes til omgivelsesbetingelser og udglødes ved moderate temperaturer, fjernelsen af ​​hydrogenatomer og rækkefølgen af ​​interstitielle boratomer skete samtidigt (figur 1 (b)). Dette indikerer, at det tilfældige arrangement af interstitielle atomer bliver en ordnet struktur. Dette er første gang en ordnet borkrystal med en stor enhedscelle (en enhedscelle indeholdende mere end 50 boratomer) blev opnået.

Generelt, en krystal tager en mere ordnet struktur ved lave temperaturer. Som regel, krystallisation sker ved høje temperaturer, som forårsager mange defekter, og disse defekter størkner ved lave temperaturer. Imidlertid, når flygtige brintatomer er inkorporeret på forhånd, de frigøres let ved glødning. Ved frigivelse af hydrering, migration af atomer induceres, at opnå rækkefølgen af ​​boratomer. Denne overgang er en slags "samarbejdsfænomen" mellem to forskellige ændringer:diffusion af brint og rækkefølgen af ​​værtsatomer.

Associate Prof. Shirai fra Osaka University siger, "Ud over bor, vores metode til at fjerne defekter kan også anvendes på kulstofbaserede materialer, såsom fulleren, som er meget hårde og har et højt smeltepunkt. Fordi det er svært at fjerne defekter fra disse hårde materialer, vores opskrift vil også være en effektiv metode til at fjerne defekter for andre halvledermaterialer."