In een voorbeeld van het adagium "alles wat oud is weer nieuw", rapporteren MIT-ingenieurs een nieuwe ontdekking in halfgeleiders, bekende materialen die al meer dan 100 jaar het onderwerp zijn van intensief onderzoek dankzij hun vele toepassingen in elektronische apparaten.

Het team ontdekte dat deze belangrijke materialen niet alleen veel stijver worden als reactie op licht, maar dat het effect omkeerbaar is wanneer het licht wordt uitgeschakeld. De ingenieurs leggen ook uit wat er op atomaire schaal gebeurt en laten zien hoe het effect kan worden afgestemd door de materialen op een bepaalde manier te maken - specifieke defecten te introduceren - en verschillende kleuren en intensiteiten van licht te gebruiken.

"We zijn enthousiast over deze resultaten omdat we een nieuwe wetenschappelijke richting hebben ontdekt in een verder zeer goed betreden veld. Bovendien ontdekten we dat het fenomeen in veel andere verbindingen aanwezig kan zijn", zegt Rafael Jaramillo, de Thomas Lord Universitair hoofddocent Materials Science and Engineering aan het MIT en leider van het team.

Ju Li, een andere MIT-professor die bij het werk betrokken was, zegt:"Het is zeer verrassend om te zien dat defecten zulke grote effecten hebben op de elastische respons, wat de deur opent naar een verscheidenheid aan toepassingen. Berekening zou ons kunnen helpen veel meer van dergelijke materialen te screenen." Li is de Battelle Energy Alliance Professor in Nuclear Science and Engineering (NSE) met een gezamenlijke aanstelling in het Department of Materials Science and Engineering (DMSE). Zowel Jaramillo als Li zijn ook verbonden aan het Materials Research Laboratory.

Het werk is gerapporteerd in het 3 augustus nummer van Physical Review Letters . Het resulterende document werd gemarkeerd als een suggestie van de redactie. Het is ook de focus van een begeleidende synopsis voor Physics Magazine getiteld "Semiconductors in the Spotlight", door Sophia Chen.

Andere auteurs van het artikel zijn Jiahao Dong en Yifei Li, DMSE-afgestudeerde studenten die in gelijke mate hebben bijgedragen aan het werk; Yuying Zhou, een DMSE-bezoekende afgestudeerde student van het Shanghai Institute of Applied Physics; Alan Schwartzman, een DMSE-onderzoeker; Haowei Xu, een afgestudeerde student in NSE; en Bilal Azhar, een DMSE-student die in 2020 afstudeerde.

Intrigerend probleem

Jaramillo herinnert zich dat hij geïntrigeerd was door een artikel uit 2018 in Science laat zien hoe een halfgeleider gemaakt van zinksulfide brozer wordt bij blootstelling aan licht. "Toen [de onderzoekers] er met licht op schenen, gedroeg het zich als een cracker. Het knapte. Toen ze het licht uitdeden, gedroeg het zich meer als een gummybeer, waar het kon worden geperst zonder in stukken te breken."

Waarom? Jaramillo en collega's besloten erachter te komen.

Onderweg reproduceerde het team niet alleen het Science-werk, maar toonde ook aan dat de halfgeleiders hun elasticiteit, een vorm van mechanische stijfheid, veranderden wanneer ze aan licht werden blootgesteld.

"Denk aan een stuiterbal", zegt Jaramillo. "De reden dat het stuitert is omdat het elastisch is. Als je het op de grond gooit, vervormt het, maar springt dan onmiddellijk terug (daarom stuitert het). Wat we ontdekten, wat echt heel verrassend was, is dat de elastische eigenschappen [van halfgeleiders ] onder verlichting enorme veranderingen kunnen ondergaan en dat deze veranderingen omkeerbaar zijn wanneer het licht wordt uitgeschakeld."

Wat gebeurt er

In het huidige werk deed het team verschillende experimenten met zinksulfide en twee andere halfgeleiders waarin ze de stijfheid van de materialen onder verschillende omstandigheden, zoals lichtintensiteit, maten met behulp van een gevoelige techniek die nano-indentatie wordt genoemd. Bij die techniek registreert een diamanten punt die over het oppervlak van het materiaal wordt bewogen, hoeveel kracht er nodig is om de pin in de bovenste 100 nanometer of miljardsten van een meter van het oppervlak te duwen.

Ze voerden ook computersimulaties uit van wat er op atomaire schaal zou kunnen gebeuren, en ontwikkelden langzaam een ​​theorie voor wat er gebeurde. Ze ontdekten dat defecten of ontbrekende atomen in de materialen een belangrijke rol speelden in de mechanische reactie van de materialen op licht.

"Deze leegtes zorgen ervoor dat het kristalrooster van het materiaal zachter wordt omdat sommige atomen verder uit elkaar staan. Denk aan mensen in een metro. Het is gemakkelijker om meer mensen naar binnen te persen als er grotere ruimten tussen hen zijn", zegt Jaramillo.

"Onder verlichting worden de aanwezige atomen opgewonden en worden ze meer afstotend. Het is alsof die mensen in de metro plotseling begonnen te dansen en hun armen in het rond te gooien," vervolgde hij. Het resultaat:de atomen weerstaan ​​sterker om dichter op elkaar gepakt te worden en het materiaal wordt mechanisch stijver.

Het team ontdekte al snel dat ze die stijfheid konden afstemmen door de intensiteit en kleur van het licht te veranderen en door specifieke defecten in de materialen te construeren. "Het is leuk als je iets kunt reduceren tot defect engineering, omdat je dan kunt aansluiten op een van de kerncompetenties van materiaalwetenschappers, namelijk het beheersen van de defecten," zei Jaramillo. "Dat is zo'n beetje wat we doen voor de kost." + Verder verkennen

Grote vooruitgang bij het creëren van een nieuwe familie van halfgeleidermaterialen

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.