Een team van onderzoekers van de Universiteit van Osaka, het Instituut voor Hogedrukfysica en het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen (Rusland), en TU Dresden (Duitsland), ontdekte een effectieve methode voor het verwijderen van roosterdefecten uit kristallen. Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Journal of Physics:Materials.

boor, een halfgeleider, heeft een verscheidenheid aan kristalstructuren, maar ze hebben allemaal grote hoeveelheden roosterdefecten die de staat van kristallijne orde bederven. In dit onderzoek, het team verkreeg een geordende fase van boor door waterstof (hydrogenering) toe te voegen bij hoge temperaturen en door dehydrogenering door gloeien bij lage temperatuur. Deze nieuwe methode is het theoretische resultaat van de onderzoeksgroepen in Japan en Duitsland van een fenomeen dat de Russische groepen in experimenten ontdekten.

Roosterdefecten die in alle materialen aanwezig zijn, beïnvloeden veel van hun elektrische eigenschappen. Het juiste gebruik van kristallijne defecten is nuttig bij de elektronische toepassingen van halfgeleiders. De elektrische geleidbaarheid van halfgeleiders kan worden verbeterd door dotering om halfgeleiders van het n (negatieve) of p (positieve) type te produceren. Deze controle van roosterdefecten wordt "valentie-elektronencontrole" genoemd en wordt bereikt door doteringen (onzuiverheden) in de atoomplaatsen te plaatsen. Echter, onzuiverheidsatomen die de interstitiële plaatsen bezetten, zijn niet nuttig bij het beheersen van valentie-elektronen.

In een boorkristal, veel atomen zijn willekeurig gerangschikt in de interstitiële plaatsen (Figuur 1 (a)). In aanvulling, de kristalstructuur was te hard voor de interstitiële atomen om gewenste plaatsen te bereiken. Om boorkristallen tot uitstekende halfgeleidermaterialen te maken, het is noodzakelijk om willekeurig verdeelde booratomen te herschikken in een geordende structuur.

Dus, dit team creëerde α-tetragonaal (α-T) boorkristal bij hoge temperatuur en druk, met een grote hoeveelheid waterstof als doteringsstof. De verkregen monsters hadden veel gebreken. Zoals weergegeven in figuur 1 (a), terwijl de B ₁₂ icosahedrale boorclusters (grijs) zijn geordend, booratomen (rood) en waterstofatomen in de interstitiële plaatsen zijn willekeurig gerangschikt (waterstofatomen zijn weggelaten in de figuur). Later, bij het herstellen van de monsters tot omgevingscondities en het uitgloeien bij gematigde temperaturen, de verwijdering van waterstofatomen en de ordening van interstitiële booratomen vonden gelijktijdig plaats (Figuur 1 (b)). Dit geeft aan dat de willekeurige rangschikking van interstitiële atomen een geordende structuur wordt. Dit is de eerste keer dat een geordend boorkristal met een grote eenheidscel (een eenheidscel die meer dan 50 booratomen bevat) werd verkregen.

Over het algemeen, een kristal neemt bij lage temperaturen een meer geordende structuur aan. Gebruikelijk, kristallisatie vindt plaats bij hoge temperaturen, die veel defecten veroorzaken, en deze defecten worden gestold bij lage temperaturen. Echter, wanneer vluchtige waterstofatomen vooraf worden ingebouwd, ze worden gemakkelijk vrijgegeven door te gloeien. Bij het vrijkomen van hydratatie, de migratie van atomen wordt geïnduceerd, het bereiken van de ordening van booratomen. Deze overgang is een soort "coöperatief fenomeen" tussen twee verschillende veranderingen:diffusie van waterstof en de ordening van gastheeratomen.

Associate Prof. Shirai van de Universiteit van Osaka zegt:"Naast boor, onze methode om defecten te verwijderen kan ook worden toegepast op materialen op basis van koolstof, zoals fullereen, die erg hard zijn en een hoog smeltpunt hebben. Omdat het verwijderen van defecten uit deze harde materialen moeilijk is, ons recept zal ook een efficiënte methode zijn om defecten voor andere halfgeleidermaterialen te verwijderen."