(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van de Universiteit van Maryland hebben een geheel nieuwe manier ontwikkeld om halfgeleidermaterialen van hoge kwaliteit te produceren die essentieel zijn voor geavanceerde micro-elektronica en nanotechnologie. Gepubliceerd in het nummer van 26 maart van Wetenschap , hun onderzoek is een fundamentele stap voorwaarts in de wetenschap van nanomaterialen die kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang in computerchips, fotovoltaïsche cellen, biomarkers en andere toepassingen, volgens de auteurs en andere experts.

"Dit is een belangrijke grote vooruitgang die laat zien dat het mogelijk is om iets te doen dat voorheen onmogelijk was, " zei Francesco Stellacci, universitair hoofddocent aan het Massachusetts Institute of Technology, wiens eigen werk zich richt op het ontdekken van nieuwe eigenschappen in materialen op nanoschaal en de ontwikkeling van nieuwe nanofabricageschema's. "Dit onderzoek laat zien dat het op nanoschaal mogelijk is dat twee materialen gelukkig naast elkaar bestaan ​​op hun grensvlak, twee materialen die anders niet naast elkaar zouden bestaan, " legde Stellacci uit, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Onder leiding van Min Ouyang, een assistent-professor in de afdeling natuurkunde en het Maryland NanoCenter, het team van de Universiteit van Maryland heeft een proces gecreëerd dat chemische thermodynamica gebruikt om te produceren, in oplossing, een breed scala aan verschillende combinatiematerialen, elk met een omhulsel van structureel perfecte monokristallijne halfgeleider rond een metalen kern.

Ouyang en collega-onderzoekers Jiatao Zhang, Yun Tang en Kwan Lee, zeggen dat hun methode tal van voordelen biedt ten opzichte van het bestaande proces, bekend als epitaxie, gebruikt om monokristallijne halfgeleiders en aanverwante apparaten te maken. Het grootste voordeel van hun niet-epitaxiale proces kan zijn dat het twee belangrijke beperkingen van epitaxie vermijdt:een limiet op de dikte van de halfgeleiderlaag en een rigide vereiste voor "roosteraanpassing".

De beperkingen van de epitaxiale methode beperken de materialen die ermee kunnen worden gevormd. Bijvoorbeeld, auteurs Ouyang, Zhang, Tang en Lee merken op dat pogingen om epitaxie te gebruiken om het soort hybride kern-schil-nanostructuren te bereiken die ze in hun artikel demonstreren, niet succesvol zijn geweest.

"Ons proces moet het mogelijk maken om materialen te creëren die sterk geïntegreerde multifunctionele micro-elektronische componenten opleveren; beter, efficiëntere materialen voor fotovoltaïsche cellen; en nieuwe biomarkers, " zei Ouyang, die opmerkte dat zijn team bezig is met het aanvragen van een patent. "We stellen ons bijvoorbeeld voor dat we met deze methode nieuwe soorten fotovoltaïsche cellen kunnen maken die tien keer efficiënter zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit dan huidige cellen.

"Onze methode vereist geen cleanroom-faciliteit en de materialen hoeven niet in een vacuüm te worden gevormd zoals die gemaakt door conventionele epitaxie, "Zei Ouyang. "Zo zou het voor bedrijven ook veel eenvoudiger en goedkoper zijn om massaal materialen te produceren met ons proces."

Epitaxie is een van de hoekstenen van de hedendaagse halfgeleiderindustrie en nanotechnologie. Het wordt beschouwd als de meest betaalbare methode voor kristalgroei van hoge kwaliteit voor veel halfgeleidermaterialen, waaronder siliciumgermanium, galliumnitride, galliumarsenide, indiumfosfide en grafeen.

Een kwantumsprong

De nieuwe methode kan ook worden gebruikt om kunstmatige kwantumstructuren te ontwerpen en te fabriceren die wetenschappers helpen de basisfysica van kwantuminformatieverwerking op nanoschaal te begrijpen en te manipuleren, zei Ouyang, merkt op dat hij en zijn team een ​​apart artikel hebben over de kwantumwetenschappelijke toepassingen van deze methode, waarvan ze verwachten dat ze in de nabije toekomst zullen worden gepubliceerd.

Dit werk werd ondersteund door het Office of Naval Research, de National Science Foundation (NSF) en de Beckman Foundation. Ondersteuning van de faciliteit was van Maryland Nanocenter en zijn Nanoscale Imaging, Spectroscopie en Eigenschappen Laboratorium, die gedeeltelijk wordt ondersteund door de NSF als een gedeelde experimentfaciliteit van Materials Research Science and Engineering Centers.