Nanomembraner lover nye materialer til avanceret elektronik

(PhysOrg.com) - Kameraet i din telefon samler lys på silicium og oversætter disse oplysninger til digitale bits. En af grundene til, at kameraer og telefoner fortsat forbedres, er, at forskere udvikler nye materialer, der absorberer mere lys, bruge mindre strøm, og er billigere at producere.

Nu, University of Wisconsin-Madison materialeforskere og ingeniørforskere har introduceret innovationer, der kunne muliggøre en lang række nye krystallinske materialer. Skrev i webnummeret af American Chemical Society -tidsskriftet 8. juni ACS Nano , Forskningsassistenter Deborah Paskiewicz og Boy Tanto sammen med forsker Donald Savage og Erwin W. Mueller professor og Bascom professor i overfladevidenskab Max Lagally, beskrive en ny tilgang til brug af tynde plader af halvleder kendt som nanomembraner.

Kontrolleret strækning af disse membraner via epitaxy gør det muligt for teamet at fremstille helt elastisk afslappede germanium -nanomembraner af silicium til brug som vækstsubstrater for nye materialer. Teamet voksede defektfrie silicium-germaniumlag med enhver ønsket germaniumkoncentration på siliciumsubstrater og frigav derefter silicium-germaniumlagene fra det stive silicium, giver dem mulighed for at slappe helt af som fritstående nanomaterialer. Silicium -germaniumfilmen overføres derefter til en ny vært og bindes der. Fra denne fase, en fejlfri bulk silicium germanium krystal kan dyrkes (noget er ikke muligt med den nuværende teknologi), eller silicium germanium -membranen kan bruges som et unikt substrat til dyrkning af andre materialer.

Epitaxy, vækst, der styrer arrangementet af atomer i tynde lag på et substrat, er den grundlæggende teknologi, der ligger til grund for halvlederindustriens brug af disse nye materialer. Ved at kombinere elementer, forskere kan dyrke materialer med unikke egenskaber, der muliggør nye slags sensorer eller høj hastighed, lav strøm, effektiv avanceret elektronik. Det er evnen til at dyrke dem uden skadelige defekter, der gør disse legeringer nyttige til halvlederindustrien. Imidlertid, fremstilling af krystaller af høj kvalitet, der kombinerer to eller flere elementer, står over for betydelige begrænsninger, der har irriteret forskere i årtier.

”Mange materialer, der består af mere end ét element, kan simpelthen ikke bruges. Afstanden mellem atomer er ikke den samme, ”Siger Lagally. "Når man begynder at vokse sådan et lag, atomerne begynder at forstyrre hinanden og meget snart kan materialet ikke længere vokse som bare en krystal, fordi det begynder at have defekter i det. Til sidst, det bryder op i små krystaller og bliver polykrystallinsk, eller endda revner. ”

Ud over dets anvendelse i halvlederindustrien, silicium germanium er vigtigt for det begyndende felt inden for kvanteberegning. En kvantecomputer gør direkte brug af kvantemekaniske fænomener som superposition og sammenfiltring til at udføre beregninger. Nuværende computere er begrænset til to tilstande; tændt og slukket, eller nul og en. Med superposition, kvantecomputere koder information som kvantebits. Disse bits repræsenterer de forskellige tilstande og indre funktion af atomer og elektroner. Ved at manipulere disse flere tilstande samtidigt, en kvantecomputer i stor skala, hvis det kan bygges, kunne være millioner gange kraftigere end nutidens mest kraftfulde klassiske supercomputer.

UW-Madison Physics Professor Mark Eriksson bruger silicium germanium til at lave todimensionale elektrongasser. "En 'todimensionel elektrongas' er et lag af en halvleder, hvor ladninger er i stand til at bevæge sig frit over store afstande, i analogi med atomer i en rigtig gas, undtagen begrænset til et tyndt lag og dermed todimensionalt. Til kvanteberegning, denne 2-D elektrongas dannes i et silikonelag, der vokser på et silicium germaniumsubstrat. Elektroder placeret oven på en struktur, der indeholder 2-D-elektrongassen i det silede siliciumlag, gør det muligt for én at flytte og kontrollere enkelte elektroner, forvandle områder af kvanten godt til ‘elektronskovle, 'Hvis du vil, der er defineret af de elektriske felter fra de øverste elektroder, «siger Lagally.

En stor hindring for at udvikle en kvantecomputer er at oprette flere kvantespande så ens som muligt. For at gøre hurtige fremskridt, forskere har brug for lave defekter og konsekvente materialer.

"Med de silicium germanium -substrater, vi har brugt, de elektrostatiske felter kan være ret usikre på grund af defekterne i substratet, ”Siger Lagally. ”Vi tror på, at vores nye proces kan løse det. Fordi substratmaterialet er ensartet, uden fejl, det burde bringe mere forudsigelighed og kontrol til Marks indsats. ”

Ud over silicium germanium, Lagally siger, at processen skal fungere for en lang række eksotiske materialer, der ikke kan dyrkes i løs vægt, men har interessante egenskaber. Lektor i materialevidenskab og teknik Paul Evans udvikler nye måder at undersøge og anvende disse materialer på.

”De tynde fejlfrie substrater, der kan fremstilles ved at overføre og afslappe disse lag, giver spændende muligheder for vækst af materialer ud over silicium og andre traditionelle halvledere, ”Siger Evans. "Med denne tilgang, det vil være muligt at fremstille fejlfrie substrater af materialer, for hvilke der ikke findes bulkmaterialer af høj krystallinsk kvalitet. I komplekse oxider, dette kan føre til tynde substrater, der stabiliserer specifikke ferroelektriske eller dielektriske faser. Det kan føre til bedre oscillatorer, sensorer og optiske enheder, der er vigtige for mobiltelefoner, kameraer og computere, vi bruger hver dag. ”