(PhysOrg.com) -- De camera in je telefoon verzamelt licht op silicium en vertaalt die informatie in digitale bits. Een van de redenen waarom die camera's en telefoons steeds beter worden, is dat onderzoekers nieuwe materialen ontwikkelen die meer licht absorberen, minder stroom verbruiken, en zijn minder duur om te produceren.

Nutsvoorzieningen, Materiaalwetenschaps- en technische onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison hebben innovaties geïntroduceerd die een breed scala aan nieuwe kristallijne materialen mogelijk zouden kunnen maken. Schrijven in het webnummer van 8 juni van het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , Onderzoeksassistenten Deborah Paskiewicz en Boy Tanto samen met wetenschapper Donald Savage en Erwin W. Mueller Professor en Bascom Professor of Surface Science Max Lagally, een nieuwe benadering beschrijven voor het gebruik van dunne vellen halfgeleider die bekend staan ​​​​als nanomembranen.

Gecontroleerd rekken van deze membranen via epitaxie stelt het team in staat om volledig elastisch ontspannen siliciumgermanium-nanomembranen te fabriceren voor gebruik als groeisubstraten voor nieuwe materialen. Het team kweekte defectvrije siliciumgermaniumlagen met elke gewenste germaniumconcentratie op siliciumsubstraten en maakte vervolgens de siliciumgermaniumlagen los van het stijve silicium, waardoor ze volledig kunnen ontspannen als vrijstaande nanomaterialen. De siliciumgermaniumfilm wordt vervolgens overgebracht naar een nieuwe gastheer en daar gehecht. Vanaf dit stadium, een defectvrij bulk siliciumgermaniumkristal kan worden gekweekt (iets dat met de huidige technologie niet mogelijk is), of het siliciumgermaniummembraan kan worden gebruikt als een uniek substraat om andere materialen te laten groeien.

epitaxie, groei die de rangschikking van atomen in dunne lagen op een substraat regelt, is de fundamentele technologie die ten grondslag ligt aan het gebruik van deze nieuwe materialen door de halfgeleiderindustrie. Door elementen te combineren, onderzoekers kunnen materialen kweken met unieke eigenschappen die nieuwe soorten sensoren of hoge snelheid mogelijk maken, laag vermogen, efficiënte geavanceerde elektronica. Het is het vermogen om ze te laten groeien zonder schadelijke defecten dat deze legeringen nuttig maakt voor de halfgeleiderindustrie. Echter, het maken van hoogwaardige kristallen die twee of meer elementen combineren, wordt geconfronteerd met aanzienlijke beperkingen die onderzoekers al tientallen jaren ergeren.

“Veel materialen die uit meer dan één element bestaan, kunnen gewoonweg niet worden gebruikt. De afstanden tussen atomen zijn niet hetzelfde, ', zegt Lagally. “Als je zo’n laag begint te laten groeien, de atomen gaan met elkaar interfereren en al snel kan het materiaal niet meer als één kristal groeien omdat het defecten begint te vertonen. Eventueel, het valt uiteen in kleine kristallen en wordt polykristallijn, of zelfs scheuren.”

Naast het gebruik in de halfgeleiderindustrie, siliciumgermanium is belangrijk voor het ontluikende veld van kwantumcomputers. Een kwantumcomputer maakt direct gebruik van kwantummechanische fenomenen zoals superpositie en verstrengeling om berekeningen uit te voeren. Huidige computers zijn beperkt tot twee toestanden; aan en uit, of nul en één. Met superpositie, kwantumcomputers coderen informatie als kwantumbits. Deze bits vertegenwoordigen de verschillende toestanden en innerlijke werking van atomen en elektronen. Door deze meerdere toestanden tegelijkertijd te manipuleren, een grootschalige kwantumcomputer, als het gebouwd kan worden, zou miljoenen keren krachtiger kunnen zijn dan de krachtigste klassieke supercomputer van vandaag.

UW-Madison Physics Professor Mark Eriksson gebruikt siliciumgermanium om tweedimensionale elektronengassen te maken. "Een 'tweedimensionaal elektronengas' is een laag van een halfgeleider waarin ladingen vrij kunnen bewegen over grote afstanden, analoog aan atomen in een echt gas, behalve beperkt tot een dunne laag en dus tweedimensionaal. Voor kwantumcomputers, dit 2-D elektronengas wordt gevormd in een laag van gespannen silicium die is gegroeid op een siliciumgermaniumsubstraat. Elektroden die bovenop een structuur worden geplaatst die het 2-D-elektronengas in de laag van gespannen silicium bevat, stellen iemand in staat om afzonderlijke elektronen te verplaatsen en te besturen, gebieden van de kwantumbron veranderen in 'elektronenemmers, ’ als je wilt, die worden bepaald door de elektrische velden van de bovenste elektroden, ’ zegt Lagally.

Een groot obstakel bij het ontwikkelen van een kwantumcomputer is het creëren van meerdere kwantumemmers die zoveel mogelijk op elkaar lijken. Om snel vooruitgang te boeken, onderzoekers hebben behoefte aan low-defect en consistente materialen.

“Met de silicium-germaniumsubstraten die we hebben gebruikt, de elektrostatische velden kunnen vrij onzeker zijn vanwege de defecten in het substraat, ', zegt Lagally. “We geloven dat ons nieuwe proces dat kan oplossen. Omdat het substraatmateriaal uniform is, zonder gebreken, het zou de inspanningen van Mark meer voorspelbaarheid en controle moeten geven.”

Voorbij siliciumgermanium, Lagally zegt dat het proces zou moeten werken voor een breed scala aan exotische materialen die niet in bulk kunnen worden gekweekt, maar wel interessante eigenschappen hebben. Universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering Paul Evans ontwikkelt nieuwe manieren om deze materialen te onderzoeken en toe te passen.

"De dunne defectvrije substraten die kunnen worden geproduceerd door deze lagen over te brengen en te ontspannen, bieden opwindende kansen in de groei van materialen die verder gaan dan silicium en andere traditionele halfgeleiders, ', zegt Evans. “Met deze aanpak het zal mogelijk zijn om defectvrije substraten te produceren van materialen waarvoor geen hoogkristallijne kwaliteitsbulkmaterialen bestaan. In complexe oxiden, dit kan leiden tot dunne substraten die specifieke ferro-elektrische of diëlektrische fasen stabiliseren. Dat zou kunnen leiden tot betere oscillatoren, sensoren en optische apparaten, die belangrijk zijn voor de mobiele telefoons, camera's en computers die we elke dag gebruiken."