Un team di ricercatori dell'Università di Osaka, l'Istituto per la fisica dell'alta pressione e l'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa (Russia), e TU Dresda (Germania), scoperto un metodo efficace per rimuovere i difetti del reticolo dai cristalli. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati su Journal of Physics:Materials.

Boro, un semiconduttore, ha una varietà di strutture cristalline, ma tutti hanno grandi quantità di difetti reticolari che rovinano lo stato dell'ordine cristallino. In questo studio, il team ha ottenuto una fase ordinata del boro aggiungendo idrogeno (idrogenazione) ad alte temperature e mediante deidrogenazione mediante ricottura a bassa temperatura. Questo nuovo metodo è il risultato teorico dei gruppi di ricerca in Giappone e Germania di un fenomeno che i gruppi russi hanno scoperto negli esperimenti.

I difetti reticolari presenti in tutti i materiali influenzano molte delle loro proprietà elettriche. L'uso corretto dei difetti cristallini è utile nelle applicazioni elettroniche dei semiconduttori. La conduttività elettrica dei semiconduttori può essere migliorata mediante drogaggio per produrre semiconduttori di tipo n (negativo) o di tipo p (positivo). Questo controllo dei difetti del reticolo è chiamato "controllo dell'elettrone di valenza" e si ottiene inserendo droganti (impurità) nei siti degli atomi. Però, gli atomi di impurità che occupano i siti interstiziali non sono utili nel controllo degli elettroni di valenza.

In un cristallo di boro, molti atomi sono disposti casualmente nei siti interstiziali (Figura 1 (a)). Inoltre, la sua struttura cristallina era troppo difficile per gli atomi interstiziali per raggiungere i siti desiderabili. Per rendere i cristalli di boro come eccellenti materiali semiconduttori, è necessario riorganizzare atomi di boro distribuiti casualmente in una struttura ordinata.

Così, questo team ha creato un cristallo di boro α-tetragonale (α-T) ad alta temperatura e pressione, con una grande quantità di idrogeno come drogante. I campioni ottenuti avevano molti difetti. Come mostrato nella Figura 1 (a), mentre il B ₁₂ i cluster icosaedrici di boro (grigi) sono ordinati, gli atomi di boro (rosso) e gli atomi di idrogeno nei siti interstiziali sono disposti casualmente (gli atomi di idrogeno sono omessi nella figura). Dopo, quando si riportano i campioni alle condizioni ambientali e li si ricottura a temperature moderate, la rimozione degli atomi di idrogeno e l'ordinamento degli atomi di boro interstiziali avvenivano simultaneamente (Figura 1 (b)). Ciò indica che la disposizione casuale degli atomi interstiziali diventa una struttura ordinata. Questa è la prima volta che è stato ottenuto un cristallo di boro ordinato con una grande cella unitaria (una cella unitaria contenente più di 50 atomi di boro).

In genere, un cristallo assume una struttura più ordinata alle basse temperature. Generalmente, la cristallizzazione avviene ad alte temperature, che inducono molti difetti, e questi difetti si solidificano a basse temperature. Però, quando gli atomi di idrogeno volatili sono incorporati in anticipo, sono facilmente rilasciati mediante ricottura. Al rilascio di idratazione, la migrazione degli atomi è indotta, ottenere l'ordinamento degli atomi di boro. Questa transizione è una sorta di "fenomeno cooperativo" tra due diversi cambiamenti:la diffusione dell'idrogeno e l'ordinamento degli atomi ospiti.

Il prof. associato Shirai dell'Università di Osaka afferma:"Oltre al boro, il nostro metodo di rimozione dei difetti può essere applicato anche ai materiali a base di carbonio, come il fullerene, che sono molto dure e hanno un alto punto di fusione. Poiché rimuovere i difetti da questi materiali duri è difficile, la nostra ricetta sarà un metodo efficiente per rimuovere i difetti anche per altri materiali semiconduttori".