Materiaalwetenschappers proberen vaak de fysieke eigenschappen van een materiaal te veranderen door een bepaald deel van een extra element toe te voegen; echter, het is niet altijd mogelijk om de gewenste hoeveelheid in de kristalstructuur van het materiaal op te nemen. Aan de TU Wenen, er is een nieuwe methode ontwikkeld om voorheen onbereikbare mengsels van germanium en andere atomen te produceren. Dit resulteert in nieuwe materialen met sterk gewijzigde eigenschappen.

"Het op een gerichte manier opnemen van vreemde atomen in een kristal om de eigenschappen ervan te verbeteren, is eigenlijk een standaardmethode, ", zegt Sven Barth van het Institute of Materials Chemistry aan de TU Wien. Moderne elektronica is gebaseerd op halfgeleiders met bepaalde additieven. Siliciumkristallen waarin fosfor of boor is verwerkt, zijn zo'n voorbeeld.

Onderzoekers hebben problemen ondervonden bij het opnemen van germanium met andere atomen. Het smelten van de twee elementen en het grondig mengen in vloeibare vorm en vervolgens laten stollen werkt in dit geval niet. "Deze eenvoudige thermodynamische methode faalt, omdat de toegevoegde atomen niet efficiënt opgaan in het roostersysteem van het kristal, " legt Sven Barth uit. "Hoe hoger de temperatuur, hoe meer de atomen in het materiaal bewegen. Dit kan ertoe leiden dat deze vreemde atomen uit het kristal precipiteren nadat ze met succes zijn opgenomen, waardoor een zeer lage concentratie van deze atomen in het kristal achterblijft."

Het team van Barth ontwikkelde daarom een ​​nieuwe aanpak die een bijzonder snelle kristalgroei koppelt aan zeer lage procestemperaturen. In het proces, de juiste hoeveelheid van de vreemde atomen wordt continu opgenomen terwijl het kristal groeit. De kristallen groeien in de vorm van draden of staafjes op nanoschaal bij aanzienlijk lagere temperaturen dan voorheen, in het bereik van slechts 140 tot 230 graden C. "Als resultaat, de ingebouwde atomen zijn minder mobiel, de diffusieprocessen zijn traag, en de meeste atomen blijven waar je ze wilt hebben, ’ legt Barth uit.

Met behulp van deze methode, het is mogelijk geweest om tot 28 procent tin en 3,5 procent gallium in germanium op te nemen. Dit is aanzienlijk meer dan voorheen mogelijk was door middel van de conventionele thermodynamische combinatie van deze materialen met een factor 30 tot 50.

Dit opent nieuwe mogelijkheden voor micro-elektronica:"Germanium kan effectief worden gecombineerd met bestaande siliciumtechnologie, en ook de toevoeging van tin en/of gallium in zulke hoge concentraties biedt zeer interessante potentiële toepassingen op het gebied van opto-elektronica, ", zegt Sven Barth. De materialen zouden worden gebruikt voor infraroodlasers, voor fotodetectoren of voor innovatieve LED's in het infraroodbereik, bijvoorbeeld, omdat de fysieke eigenschappen van germanium aanzienlijk worden veranderd door deze additieven.