Afsløring af, hvad der styrer krystalvækst

Med strålende farver og maleriske former, mange krystaller er naturens vidundere. Nogle krystaller er også videnskabens vidundere, med transformative applikationer inden for elektronik og optik. At forstå, hvordan man bedst dyrker sådanne krystaller, er nøglen til yderligere fremskridt.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, sammen med tre universiteter, har afsløret ny indsigt i mekanismen bag, hvordan galliumnitridkrystaller vokser på atomær skala.

Galliumnitridkrystaller er allerede i vid udstrækning i lysemitterende dioder, bedre kendt som LED'er. De kan også bruges til at danne transistorer til højeffektskoblingselektronik for at gøre elektriske net mere energieffektive og smartere. Brugen af ​​sådanne "smarte net, "som bedre kunne balancere høj effekt i det overordnede system, kan forhindre folk i at miste magten i voldsomme storme.

"Dette arbejde er et godt eksempel på vigtigheden og kraften i at sondere et materiale, mens en proces er i gang. Ganske ofte, når vi bruger sådanne sonder til at studere processer som syntese, vi finder, at historien er mere kompleks, end vi oprindeligt troede og i modstrid med konventionel visdom." - Matt Highland, afdeling for røntgenvidenskab, Argonne National Laboratory

Den samme teknologi kan også gøre de enkelte hjem mere energieffektive. Og det kunne finde anvendelse i optisk kommunikation, hvor lasere overfører information. Sådan informationsoverførsel kan være mere præcis, hurtigere og mere sikker end de nuværende muligheder.

På grund af disse forskellige applikationer, videnskabsmænd verden over har arbejdet på at forbedre processen for dyrkning af galliumnitridkrystaller.

"Galliumnitrid har en mere kompliceret krystalstruktur end silicium, det typiske krystallinske materiale i elektronik, " sagde G. Brian Stephenson, en fornem Argonne-stipendiat i afdelingen Materials Science. "Når du dyrker denne krystal, du får dermed mere fascinerende adfærd på overfladen."

På atomær skala, en voksende galliumnitrid krystaloverflade ligner typisk en trappe af trin, hvor hver trappe er et lag af krystalstrukturen. Atomer tilføjes til en voksende krystaloverflade ved fastgørelse ved kanterne af trinene. På grund af galliumnitrid krystalstrukturen, trinene har skiftende kantstrukturer, mærket A og B. De forskellige atomare strukturer fører til forskellig vækstadfærd i A- og B-trinene. De fleste teoretiske modeller indikerer, at atomer akkumuleres hurtigere på et B-type trin, men eksperimentel bekræftelse har manglet.

"På grund af de høje temperaturer og den kemiske atmosfære, der er involveret, det er ikke muligt at undersøge væksten af ​​galliumnitrid med et standard elektronmikroskop og teste modelforudsigelsen, " sagde Stephenson. For det, holdet kaldte på Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet i Argonne.

Den meget høje energi af røntgenstrålerne, der er tilgængelige ved APS med en stråle, der kun er et par mikrometer bred (strålelinje 12-ID-D) gjorde det muligt for teamet at overvåge hastigheden af ​​galliumnitridvækst på krystaloverfladetrinene. Disse røntgenstråler er en ideel sonde, da de er følsomme over for struktur på atomare skala og kan trænge ind i krystallens miljø ved de involverede høje temperaturer, over 1400 grader Fahrenheit, mens den vokser.

"Baseret på modellering, mange havde antaget, at atomer sandsynligvis opbygges hurtigere på type-B-trinnet, " sagde Stephenson. "Forestil dig vores overraskelse, da det viste sig at være trin A. Dette tyder på, at kemien i vækstprocessen kan være mere kompliceret end tidligere antaget."

"Dette arbejde er et godt eksempel på vigtigheden og kraften i at sondere et materiale, mens en proces er i gang, " tilføjede Matt Highland, fysiker i afdelingen for røntgenvidenskab. "Ganske ofte, når vi bruger sådanne sonder til at studere processer som syntese, vi synes, at historien er mere kompleks, end vi oprindeligt troede og i modstrid med konventionel visdom."

Resultaterne har indlysende implikationer for at forfine den nuværende forståelse af mekanismerne i atomskala for galliumnitrid-vækst. Denne forståelse har vigtige praktiske implikationer for design af avancerede galliumnitrid-enheder ved at tillade bedre kontrol over vækst og inkorporering af yderligere elementer for forbedret ydeevne. Resultaterne kan også anvendes på vækst af beslægtede krystaller, herunder værtshalvledermaterialer til kvanteinformationsvidenskab.

Denne forskning blev støttet af DOE Office of Basic Energy Sciences. Det blev anmeldt i Naturkommunikation , i et papir med titlen "In situ mikrostråleoverfladerøntgenspredning afslører alternerende trinkinetik under krystalvækst." Ud over Stephenson og Highland, andre Argonne-forfattere inkluderer Guangxu Ju, Dongwei Xu (nu ved Huazhong University of Science and Technology), Eastman og Peter Zapol. Universitetets deltagere inkluderer Carol Thompson (Northern Illinois University) og Weronika Walkosz (Lake Forest College).