onvolkomenheden van kristalstructuur, vooral randdislocaties van langgerekte aard, de basiseigenschappen van het gehele materiaal diepgaand wijzigen en, als gevolg, de toepassingen ervan drastisch beperken. Met siliciumcarbide als voorbeeld, natuurkundigen uit Krakau en Warschau hebben aangetoond dat zelfs zulke rekenkundig veeleisende defecten met succes kunnen worden onderzocht met atomaire nauwkeurigheid door middel van een slim geconstrueerde, klein van formaat, model.

Wiskunde houdt van perfectie. Helaas, perfectie houdt niet van de fysieke realiteit. Theoretici die kristallen modelleren, hebben lang geprobeerd om defecten in echte kristallijne structuren op te nemen en hun impact op de fysieke eigenschappen van materialen te voorspellen. De modellen, op basis van de resultaten van verschillende experimenten, hebben veranderingen in de basiseigenschappen van een materiaal beschreven zonder de werkelijke oorzaken en gevolgen van de optredende verschijnselen te verklaren.

Een nieuw model van siliciumcarbide (SiC), gebouwd door natuurkundigen van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, heeft hen in staat gesteld aan te tonen dat het nu mogelijk is om kristallen ab initio te bestuderen met zulke complexe defecten als randdislocaties en om hun kenmerken te verklaren door processen die plaatsvinden op atomaire schaal. Dit spectaculaire resultaat, onlangs gepresenteerd op de Multiscale Phenomena in Molecular Matter 2019-conferentie in Krakau, werd bereikt door de IFJ PAN-natuurkundigen in samenwerking met het Instituut voor Fundamenteel Technologisch Onderzoek van de Poolse Academie van Wetenschappen en het Instituut voor Hogedrukfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen, beide gevestigd in Warschau.

"We hebben geprobeerd de mechanismen te vinden die op atomair niveau verantwoordelijk zijn voor het verlagen van de doorslagspanning in siliciumcarbidekristallen. Onze ab initio-berekeningen leiden tot een kwalitatief begrip van het probleem en dragen bij aan het verklaren van de details van dit fenomeen, " zegt Dr. Jan Lazewski, hoogleraar aan de IFJ PAN.

Ab initio-berekeningen hebben nu een lange geschiedenis met betrekking tot de Nobelprijs voor Walter Kohn en John Pople in 1998 (maar voor lineaire kristaldefectsimulaties zijn ze pas onlangs geïntroduceerd). Deze term wordt gebruikt om berekeningen te beschrijven die zijn uitgevoerd met behulp van kwantummechanica-vergelijkingen, alleen ondersteund door kennis over de structuur van het atoom en de symmetrie van kristallen. Er is geen directe informatie uit experimenten in dergelijke modellen, wat betekent dat ze ook kunnen worden gebruikt om materialen te analyseren die nog nooit eerder zijn bestudeerd of zelfs gesynthetiseerd. Vanwege de relatief aanzienlijke complicatie van het probleem, tot nu toe werkten ab initio berekeningen, hoogstens, in het geval van puntdefecten, gerelateerd aan vacatures (ontbrekende atomen of gaten in de kristalstructuur) evenals toevoegingen die in het kristal zijn geïntroduceerd.

Niet voor niets gebruikten de Krakau-onderzoekers siliciumcarbide. De eigenschappen van deze halfgeleider zijn zo interessant dat hij in het verleden zelfs werd beschouwd als een opvolger van silicium. De band gap (de barrière die de lading moet overwinnen om van de valentieband naar de geleidingsband te gaan en stroom te geleiden) is bijna drie keer groter dan in silicium, de toegestane geleidingsstroomdichtheid - twee keer zo groot, het vermogen om warmte af te voeren - meer dan drie keer groter, en de afsnijfrequentie van kristalwerking maar liefst zes keer groter. In aanvulling, siliciumcarbidesystemen kunnen werken bij temperaturen tot 650 graden Celsius, terwijl siliciumsystemen al problemen beginnen te krijgen bij 120 graden Celsius. SiC heeft ook een hoog smeltpunt, Het is moeilijk, bestand tegen zuur en straling. De nadelen zijn vooral de prijs:terwijl siliciumwafels van 2 inch slechts een paar dollar kosten, de waarde van vergelijkbare siliciumcarbidewafels loopt in de duizenden. Siliciumcarbidekristallen van lage kwaliteit zijn een populair schurend materiaal, ook gebruikt in kogelvrije vesten en in de remschijven van 's werelds duurste auto's, zoals Lamborghini of Bugatti. Kristallen van hoge kwaliteit worden gebruikt om spiegels te produceren voor telescopen en in hoogspanningsapparaten met een hoge temperatuurbestendigheid.

Op atomair niveau, siliciumcarbidekristallen zijn samengesteld uit vele platte lagen die op elkaar zijn gerangschikt. Elke laag lijkt op een honingraat:hij bestaat uit zeshoekige cellen waarin de siliciumcarbidemoleculen verticaal in de hoeken staan. Elke twee aangrenzende lagen kunnen op drie manieren worden gecombineerd. De meerlaagse 'broodjes' met verschillende lay-outs creëren zogenaamde polytypes, waarvan er meer dan 250 zijn in het geval van siliciumcarbide. De groep van IFJ PAN gebruikte de 4H-SiC polymorf.

"Bij het modelleren van dergelijke structuren, een van de belangrijkste problemen is de rekenkundige complexiteit. Een model van puur kristal, verstoken van vermenging of dislocaties, wordt gekenmerkt door een hoge symmetrie en kan zelfs in enkele minuten worden berekend. Om een ​​berekening uit te voeren voor een materiaal met dislocatie, we hebben maanden nodig om aan een krachtige computer te werken, " benadrukt Dr. Pawel Jochym, hoogleraar aan de IFJ PAN.

De problemen met randdislocaties zijn het gevolg van de omvang van hun invloed op de kristalstructuur van het materiaal. Als een illustratie, ze kunnen worden vergeleken met het probleem van het verbergen van een opening in een rij tegels op een vloer. De opening kan worden 'gecamoufleerd' door de tegels van aangrenzende rijen te verplaatsen, maar het defect blijft altijd zichtbaar. Randdislocaties als gevolg van het ontbreken van hele lengtes of gebieden van atomen / moleculen in individuele kristallagen werken op dezelfde manier, die de posities van atomen en moleculen in veel aangrenzende lagen beïnvloeden. En aangezien de dislocaties zich over lange afstanden kunnen uitstrekken, in de praktijk omvatten de verstoringen die daardoor worden veroorzaakt het hele kristal.

De meest interessante verschijnselen vinden plaats in de dislocatiekern, dat wil zeggen in de buurt van de rand van de beschadigde laag van het kristalnetwerk. Om langetermijneffecten veroorzaakt door een enkele dislocatie te elimineren, en zo het aantal beschouwde atomen aanzienlijk te verminderen, er werd een truc toegepast:een tweede dislocatie met het tegenovergestelde effect werd geïntroduceerd. Op deze manier, de impact van de eerste dislocatie over langere afstanden werd gecompenseerd.

Het SiC-kristalmodel bestond uit ongeveer 400 atomen. De simulaties toonden aan dat in de kristallagen, langs de rand van de kern van het defect, 'tunnels' verschijnen in de vorm van kanalen met verminderde ladingsdichtheid. Ze verlagen plaatselijk de potentiaalbarrière en zorgen ervoor dat elektrische ladingen uit de valentieband 'lekken'. In aanvulling, in de verboden kloof, die in de isolator een gebrek aan elektrische geleidbaarheid garandeert, Er verschijnen omstandigheden die de breedte en effectiviteit ervan bij het beperken van de ladingsstroom verminderen. Er werd aangetoond dat deze toestanden afkomstig zijn van atomen die zich in de dislocatiekern bevinden.

"De situatie is te vergelijken met een diepe, steil ravijn dat een eekhoorn probeert over te steken. Als de bodem van het ravijn leeg is, de eekhoorn komt niet aan de andere kant. Echter, als er onderaan een aantal bomen staat die hoog genoeg zijn, de eekhoorn kan over hun toppen naar de andere kant van het ravijn springen. In het kristal dat we hebben gemodelleerd, de eekhoorns zijn de elektrische ladingen, de valentieband is een rand van het ravijn, de geleidingsband is de andere, en de bomen zijn de bovengenoemde toestanden die verband houden met de atomen van de dislocatiekern, " zegt prof. Lazewski.

Nu de mechanismen die verantwoordelijk zijn voor het verlagen van de drempel van de energiebarrière bekend zijn geworden op atomair niveau, er is een enorme ruimte om te experimenteren. Het voorgestelde mechanisme zal geverifieerd moeten worden om het te kunnen gebruiken om de negatieve invloed van de geteste defecten te beperken. Gelukkig, daar zijn al technische mogelijkheden voor.

"De toekomst zal uitwijzen of onze ideeën in hun geheel worden bevestigd. we hebben vertrouwen in het lot van ons model en de gepresenteerde benadering voor het simuleren van randdislocaties. We weten al dat het ab initio-model zijn waarde heeft bewezen in confrontatie met bepaalde experimentele gegevens, " concludeert prof. Jochym.