Fijnafstemming van de samenstelling van nitridelegeringen kan de ontwikkeling van optische en elektronische interface-apparaten bevorderen.

Het beheersen van de elektronische eigenschappen op het grensvlak tussen materialen zou kunnen helpen bij het zoeken naar verbeteringen in het computergeheugen. KAUST-onderzoekers laten zien dat het variëren van de atomaire samenstelling van op boornitride gebaseerde legeringen het mogelijk maakt om een ​​belangrijke elektronische eigenschap af te stemmen die bekend staat als polarisatie.

Wanneer een elektrisch veld wordt toegepast op een enkel atoom, het verschuift het massamiddelpunt van de wolk van negatief geladen elektronen weg van de positief geladen kern die het omringt. In een kristallijne vaste stof, deze zogenaamde elektrische dipolen van alle atomen vormen samen elektrische polarisatie.

Sommige materialen vertonen een spontane polarisatie, zelfs zonder een extern elektrisch veld. Dergelijke materialen hebben potentiële toepassingen in computergeheugen, echter, deze toepassing vereist een materiaalsysteem waarin de polarisatie controleerbaar is. Op bezoek bij student Kaikai Liu, zijn supervisor Xiaohang Li en collega's onderzochten een benadering van polarisatie-engineering op het grensvlak tussen op boornitride gebaseerde legeringen.

Spontane polarisatie is sterk afhankelijk van de structuur en samenstelling van het atomaire kristal. Sommige materialen, bekend als piëzo-elektriciteit, kan polarisatie veranderen wanneer fysiek vervormd.

Het KAUST-team gebruikte software genaamd het Vienna ab initio Simulation Package om de elektronische eigenschappen van de ternaire legeringen booraluminiumnitride en boorgalliumnitride te onderzoeken. Ze keken hoe ze veranderen als boor aluminium- en galliumatomen vervangt, respectievelijk. "We hebben de spontane polarisatie en piëzo-elektrische constanten van boornitride-legeringen berekend binnen een nieuw voorgesteld theoretisch kader en de impact van de polarisatie op kruispunten van deze twee materialen, ' zegt Liu.

Het team toonde aan dat de spontane polarisatie zeer niet-lineair verandert met een toenemend boorgehalte; dit is in tegenspraak met eerdere studies die uitgaan van een lineair verband.

De reden voor deze niet-lineariteit wordt toegeschreven aan de volumevervorming van de ongebruikelijke atomaire structuur van de legering, bekend als wurtziet. De niet-lineaire verandering van de piëzo-elektrische polarisatie is minder uitgesproken, maar duidelijk. Dit komt door het grote verschil in atomaire afstand tussen boornitride en zowel aluminiumnitride als galliumnitride. Verder, booraluminiumnitride of boorgalliumnitride kan niet-piëzo-elektrisch worden wanneer het boorgehalte meer dan 87 procent en 74 procent is, respectievelijk.

Dit werk laat zien dat een groot aantal spontane en piëzo-elektrische polarisatieconstanten beschikbaar kunnen worden gemaakt door simpelweg het boorgehalte te veranderen. Dit zou nuttig kunnen zijn voor het ontwikkelen van optische en elektronische verbindingsinrichtingen die gevormd worden op het grensvlak tussen conventionele nitridehalfgeleiders en booraluminiumnitride of boorgalliumnitride.

"Onze volgende stap zal zijn om de voorgestelde kruispunten experimenteel te testen, waarvan onze theorie voorspelt dat ze veel betere apparaatprestaties kunnen hebben dan de huidige benaderingen, ' zegt Liu.