Nanostrukturer lavet af tidligere umuligt materiale

Materialeforskere søger ofte at ændre et materiales fysiske egenskaber ved at tilføje en vis andel af et yderligere element; imidlertid, det er ikke altid muligt at inkorporere den ønskede mængde i materialets krystalstruktur. På TU Wien, en ny metode er blevet udviklet til at fremstille tidligere uopnåelige blandinger af germanium og andre atomer. Dette resulterer i nye materialer med væsentligt ændrede egenskaber.

"At inkorporere fremmede atomer i en krystal på en målrettet måde for at forbedre dens egenskaber er faktisk en standardmetode, " siger Sven Barth fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. Moderne elektronik er baseret på halvledere med visse tilsætningsstoffer. Siliciumkrystaller inkorporeret med fosfor eller bor er et sådant eksempel.

Forskere har stødt på vanskeligheder med at inkorporere germanium med andre atomer. At smelte de to grundstoffer og blande dem grundigt sammen i flydende form og derefter lade dem størkne virker ikke i dette tilfælde. "Denne enkle termodynamiske metode fejler, fordi de tilføjede atomer ikke blandes effektivt ind i krystallens gittersystem, " forklarer Sven Barth. "Jo højere temperatur, jo mere bevæger atomerne sig inde i materialet. Dette kan resultere i, at disse fremmede atomer fælder ud af krystallen, efter at de er blevet inkorporeret med succes, efterlader en meget lav koncentration af disse atomer i krystallen."

Barths team udviklede derfor en ny tilgang, der forbinder særlig hurtig krystalvækst med meget lave procestemperaturer. I processen, den korrekte mængde af de fremmede atomer inkorporeres kontinuerligt, efterhånden som krystallen vokser. Krystallerne vokser i form af nanoskala tråde eller stænger ved betydeligt lavere temperaturer end før, i området fra kun 140 til 230 grader C. "Som et resultat, de inkorporerede atomer er mindre mobile, diffusionsprocesserne er langsomme, og de fleste atomer bliver, hvor du vil have dem, " forklarer Barth.

Ved at bruge denne metode, det har været muligt at inkorporere op til 28 procent tin og 3,5 procent gallium i germanium. Dette er betydeligt mere end tidligere muligt ved hjælp af den konventionelle termodynamiske kombination af disse materialer med en faktor på 30 til 50.

Dette åbner op for nye muligheder for mikroelektronik:"Germanium kan effektivt kombineres med eksisterende siliciumteknologi, og også tilsætning af tin og/eller gallium i så høje koncentrationer tilbyder ekstremt interessante potentielle anvendelser med hensyn til optoelektronik, " siger Sven Barth. Materialerne skal bruges til infrarøde lasere, til fotodetektorer eller til innovative LED'er i det infrarøde område, for eksempel, da germaniums fysiske egenskaber ændres væsentligt af disse tilsætningsstoffer.