Een multi-institutioneel team onder leiding van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy ontdekte een manier om nieuwe legeringen te maken die de basis zouden kunnen vormen voor de volgende generatie halfgeleiders.

Er bestaan ​​al halfgeleiderlegeringen - vaak gemaakt van een combinatie van materialen met vergelijkbare atomaire rangschikkingen - maar tot nu toe dachten onderzoekers dat het onrealistisch was om legeringen van bepaalde bestanddelen te maken.

"Misschien hebben wetenschappers in het verleden naar twee materialen gekeken en gezegd dat ik die twee niet kan mengen. Wat we zeggen is nog eens nadenken, " zei Aaron Holder, een voormalig NREL postdoctoraal onderzoeker en nu onderzoeksfaculteit aan de Universiteit van Colorado Boulder. Houder is corresponderende auteur van een nieuw artikel in wetenschappelijke vooruitgang getiteld Nieuw fasediagramgedrag en materiaalontwerp in heterostructurele halfgeleiderlegeringen. "Er is een manier om het te doen."

Wetenschappers verbonden aan het Center for Next Generation of Materials by Design (CNGMD) zorgden voor de doorbraak en brachten het idee van theorie naar realiteit. Een Energy Frontier Research Center, die wordt ondersteund door het Office of Science van het Energy Department en onderzoekers van NREL, de Colorado School of Mines, Harvard universiteit, Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium, Massachusetts Institute of Technology, Staatsuniversiteit van Oregon, en SLAC National Accelerator Laboratory.

"Het is een heel mooi voorbeeld van wat er gebeurt als je verschillende instellingen met verschillende capaciteiten bij elkaar brengt, " zei Holder. Zijn co-auteurs van NREL zijn Stephan Lany, Sebastiaan Siol, Paul Ndione, Haowei Peng, Willem Tumas, John Perkins, David Ginley, en Andriy Zakutayev.

Een mismatch tussen atomaire arrangementen verijdelde voorheen de creatie van bepaalde legeringen. Onderzoekers met CNGMD konden een legering maken van mangaanoxide (MnO) en zinkoxide (ZnO), ook al zijn hun atomaire structuren heel verschillend. De nieuwe legering zal een aanzienlijk deel van het natuurlijke zonlicht absorberen, hoewel afzonderlijk noch MnO noch ZnO kan. "Het is een zeer lonend soort onderzoek als je als team werkt, een materiaal computationeel voorspellen, en laat het gebeuren in het lab, ' zei Lany.

Met behulp van warmte, een klein percentage MnO mengen met ZnO is al mogelijk, maar het bereiken van een 1:1-mix zou temperaturen vereisen die veel hoger zijn dan 1, 000 graden Celsius (1, 832 graden Fahrenheit), en de materialen zouden weer scheiden als ze afkoelen.

De wetenschappers, die ook een legering van tinsulfide en calciumsulfide creëerde, zette deze legeringen af ​​als dunne films met behulp van gepulseerde laserafzetting en magnetronsputteren. Geen van beide methoden vereiste zulke hoge temperaturen. "We laten zien dat commerciële dunnefilmafzettingsmethoden kunnen worden gebruikt om heterostructurele legeringen te fabriceren, een weg openen naar hun gebruik in echte halfgeleidertoepassingen, " zei co-auteur Zakutayev.

Het onderzoek leverde een eerste blik op het fasediagram voor heterostructurele legeringen, het onthullen van een voorspellende route voor eigenschappen van andere legeringen, samen met een groot gebied van metastabiliteit dat de elementen gecombineerd houdt. "De legering blijft in deze hele ruimte bestaan, ook al zou het thermodynamisch moeten scheiden en ontleden, ' zei Houder.