Het gebruik van druk om de eigenschappen van halfgeleiders te veranderen, wordt steeds veelbelovender in toepassingen zoals hoogwaardige infraroodsensoren en apparaten voor energieconversie. Met een nieuwe en onconventionele kristalinterface, onderzoekers van Rensselaer Polytechnic Institute hebben een krachtigere en dynamischere afstemming van de methode mogelijk gemaakt, waarmee ze in 2015 voor het eerst pionierden.

"Een conventionele manier om spanning of druk in een functioneel materiaal te introduceren, is om zo'n materiaal te laten groeien op een substraat dat vergelijkbaar is met het filmmateriaal in de materiaalchemie, maar ongelijk is in roosterconstante. In ons werk, we hebben ons losgemaakt van deze conventionele wijsheid", zei Jian Shi, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute.

Het onderzoek wordt gedetailleerd beschreven in "Defect-engineered epitaxiale VO2±δ in strain engineering of heterogene zachte kristallen, " gepubliceerd in een recente editie van wetenschappelijke vooruitgang .

Eerder onderzoek waarbij spanning werd gebruikt om de eigenschappen van halfgeleiders te veranderen, was gericht op het ontwikkelen van een coherente epitaxiale interface tussen de film en het substraat om de spanning van het substraat naar de film over te brengen. Bijvoorbeeld, in elastische spanningstechniek, mensen kweken germanium op silicium, oxiden op oxiden, chalcogeniden op chalcogeniden.

Het werk van Science Advances introduceert een nieuwe benadering, het afzetten van een ongelijk maar technologisch belangrijk halfgeleidermateriaal - halideperovskiet - op een vanadiumdioxidesubstraat. Halideperovskiet heeft weinig invloed op de chemie van vanadiumdioxidesubstraat. Maar gecombineerd, het vanadiumdioxide en halide perskoviet vormen een heterogeen grensvlak, waardoor spanning effectief op het halfgeleidermateriaal kan worden overgedragen.

Het onderzoek maakt gebruik van een speciaal ontwikkeld substraat - vanadiumdioxide - dat in staat is tot een structurele faseovergang, wat betekent dat het van structuur verandert onder verschillende temperaturen. De onderzoekers gebruiken de structurele faseovergang om spanning op te leggen aan een dunne film halfgeleider die op het oppervlak is afgezet met behulp van chemische dampafzetting.

Om grote spanning in de halfgeleiderlaag mogelijk te maken, Yiping Wang, een afgestudeerde student in Shi's lab, gemodificeerd vanadiumdioxide, het toevoegen en verwijderen van zuurstofatomen uit het materiaal door de partiële zuurstofdruk te regelen tijdens de chemische dampafzetting van het vanadiumdioxide terwijl het op een saffierkristal groeit.

De resulterende "door defecten ontworpen" nanoforest-arrays van vanadiumdioxide hebben een grote structurele verandering onder temperatuurstimulus, en kan niet één maar drie faseovergangen doorlopen, waardoor ze de hoeveelheid druk die op de halfgeleider wordt uitgeoefend nauwkeuriger kunnen afstemmen.

Deze onconventionele aanpak, toont aan dat de mechanische zachtheid van de halfgeleiderkristallen een sleutel zou kunnen zijn voor het succes van spanningstechniek. Met een zachtere halfgeleider, een gematigde interface, en een dynamischer substraat, de onderzoekers waren in staat om de fysieke eigenschappen van de halfgeleider dynamisch te wijzigen op een omkeerbare manier op nanoschaal. De geleverde druk bleek groot genoeg om een ​​structurele en elektronische faseovergang in het halfgeleiderkristal teweeg te brengen. Een dergelijke overgang in dit kristal is aangetoond onder hoge druk met een andere, maar technologisch onpraktische benadering.