Met schitterende kleuren en pittoreske vormen, veel kristallen zijn wonderen van de natuur. Sommige kristallen zijn ook wonderen van de wetenschap, met transformatieve toepassingen in elektronica en optica. Begrijpen hoe dergelijke kristallen het beste kunnen groeien, is de sleutel tot verdere vooruitgang.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met drie universiteiten, hebben nieuwe inzichten onthuld in het mechanisme achter hoe galliumnitridekristallen op atomaire schaal groeien.

Galliumnitridekristallen worden al op grote schaal gebruikt in lichtemitterende diodes, beter bekend als LED's. Ze kunnen ook worden toegepast om transistors te vormen voor schakelelektronica met hoog vermogen om elektriciteitsnetten energiezuiniger en slimmer te maken. Het gebruik van dergelijke "smart grids, " die een hoog vermogen beter in evenwicht zou kunnen brengen binnen het totale systeem, kan voorkomen dat mensen de macht verliezen bij zware stormen.

"Dit werk is een goed voorbeeld van het belang en de kracht van het onderzoeken van een materiaal terwijl een proces aan de gang is. Heel vaak, wanneer we dergelijke sondes gebruiken om processen zoals synthese te bestuderen, we vinden het verhaal ingewikkelder dan we oorspronkelijk dachten en in strijd met de conventionele wijsheid." - Matt Highland, Afdeling röntgenwetenschappen, Argonne Nationaal Laboratorium

Dezelfde technologie kan ook individuele woningen energiezuiniger maken. En het kan worden gebruikt in optische communicatie, waar lasers informatie doorgeven. Een dergelijke informatieoverdracht kan nauwkeuriger zijn, sneller en veiliger dan de huidige mogelijkheden.

Door deze uiteenlopende toepassingen wetenschappers over de hele wereld hebben gewerkt aan het verbeteren van het proces voor het kweken van galliumnitridekristallen.

"Galliumnitride heeft een ingewikkelder kristalstructuur dan silicium, het typische kristallijne materiaal in de elektronica, " zei G. Brian Stephenson, een voorname collega van Argonne in de afdeling Materials Science. "Als je dit kristal laat groeien, je krijgt zo meer fascinerend gedrag aan de oppervlakte."

Op atomaire schaal, een groeiend oppervlak van galliumnitridekristallen ziet er typisch uit als een trap met treden, waarbij elke trap een laag is van de kristalstructuur. Atomen worden toegevoegd aan een groeiend kristaloppervlak door bevestiging aan de randen van de treden. Vanwege de galliumnitride kristalstructuur, de treden hebben afwisselende randstructuren, gelabeld A en B. De verschillende atomaire structuren leiden tot verschillende groeigedragingen van de A- en B-stappen. De meeste theoretische modellen geven aan dat atomen sneller accumuleren op een B-type stap, maar experimentele bevestiging ontbrak.

"Vanwege de hoge temperaturen en de chemische atmosfeer die ermee gepaard gaat, het is niet mogelijk om de groei van galliumnitride te onderzoeken met een standaard elektronenmicroscoop en de modelvoorspelling te testen, " zei Stephenson. Daarvoor, het team deed een beroep op de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility in Argonne.

De zeer hoge energie van de röntgenstralen die beschikbaar zijn bij het APS met een bundel van slechts enkele micrometers breed (bundellijn 12-ID-D) stelde het team in staat om de snelheid van galliumnitridegroei op de kristaloppervlaktestappen te volgen. Deze röntgenstralen zijn een ideale sonde omdat ze gevoelig zijn voor de structuur op atomaire schaal en de omgeving van het kristal kunnen binnendringen bij de betrokken hoge temperaturen, meer dan 1400 graden Fahrenheit, terwijl het groeit.

"Gebaseerd op modellering, velen hadden aangenomen dat atomen zich waarschijnlijk sneller opbouwen bij de type-B-stap, " zei Stephenson. "Stel je onze verbazing voor toen het stap A bleek te zijn. Dit suggereert dat de chemie van het groeiproces gecompliceerder kan zijn dan eerder werd gedacht."

"Dit werk is een geweldig voorbeeld van het belang en de kracht van het onderzoeken van een materiaal terwijl een proces aan de gang is, " voegde Matt Hoogland eraan toe, natuurkundige in de afdeling X-ray Sciences. "Heel vaak als we dergelijke sondes gebruiken om processen zoals synthese te bestuderen, we vinden het verhaal complexer dan we oorspronkelijk dachten en in strijd met de conventionele wijsheid."

De resultaten hebben duidelijke implicaties voor het verfijnen van het huidige begrip van de mechanismen op atomaire schaal van de groei van galliumnitride. Dit inzicht heeft belangrijke praktische implicaties voor het ontwerp van geavanceerde galliumnitride-apparaten door een betere controle van de groei en opname van extra elementen voor verbeterde prestaties mogelijk te maken. De bevindingen kunnen ook worden toegepast op de groei van verwante kristallen, inclusief gastheerhalfgeleidermaterialen voor kwantuminformatiewetenschap.

Dit onderzoek werd ondersteund door het DOE Office of Basic Energy Sciences. Het werd gemeld in Natuurcommunicatie , in een paper getiteld "In situ microbeam oppervlakte röntgenverstrooiing onthult afwisselende stapkinetiek tijdens kristalgroei." Naast Stephenson en Highland, andere auteurs van Argonne zijn onder meer Guangxu Ju, Dongwei Xu (nu aan de Huazhong University of Science and Technology), Eastman en Peter Zapol. Universitaire deelnemers zijn onder andere Carol Thompson (Northern Illinois University) en Weronika Walkosz (Lake Forest College).