Schema della diffusione di raggi X sulla superficie del microfascio durante la crescita di cristalli di nitruro di gallio ad alta temperatura. Credito:Laboratorio Nazionale Argonne.
Con colori brillanti e forme pittoresche, molti cristalli sono meraviglie della natura. Alcuni cristalli sono anche meraviglie della scienza, con applicazioni trasformative in elettronica e ottica. Comprendere il modo migliore per coltivare tali cristalli è la chiave per ulteriori progressi.
Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), insieme a tre università, hanno rivelato nuove intuizioni sul meccanismo alla base del modo in cui i cristalli di nitruro di gallio crescono su scala atomica.
I cristalli di nitruro di gallio sono già ampiamente utilizzati nei diodi emettitori di luce, meglio conosciuti come LED. Potrebbero anche essere applicati per formare transistor per l'elettronica di commutazione ad alta potenza per rendere le reti elettriche più efficienti dal punto di vista energetico e più intelligenti. L'uso di tali "reti intelligenti, " che potrebbe bilanciare meglio l'elevata potenza all'interno del sistema complessivo, potrebbe impedire alle persone di perdere potere in caso di forti tempeste.
"Questo lavoro è un ottimo esempio dell'importanza e della potenza di sondare un materiale mentre è in corso un processo. Molto spesso quando usiamo tali sonde per studiare processi come la sintesi, troviamo che la storia è più complessa di quanto pensassimo inizialmente e contraria alla saggezza convenzionale." - Matt Highland, Divisione di Scienze dei raggi X, Laboratorio Nazionale Argonne
La stessa tecnologia potrebbe anche rendere le singole abitazioni più efficienti dal punto di vista energetico. E potrebbe trovare impiego nelle comunicazioni ottiche, dove i laser trasmettono informazioni. Tale trasferimento di informazioni può essere più preciso, più veloce e più sicuro delle capacità attuali.
A causa di queste diverse applicazioni, scienziati di tutto il mondo hanno lavorato per migliorare il processo di crescita dei cristalli di nitruro di gallio.
"Il nitruro di gallio ha una struttura cristallina più complicata del silicio, il tipico materiale cristallino in elettronica, " ha detto G. Brian Stephenson, un illustre collega Argonne nella divisione Scienza dei materiali. "Quando coltivi questo cristallo, si ottiene così un comportamento più affascinante in superficie."
Schema delle strutture superficiali che si formano durante i processi di crescita del nitruro di gallio (evaporazione e deposizione). I gradini ai bordi di ogni strato atomico hanno strutture alternate (A o B). Credito:Laboratorio Nazionale Argonne.
A scala atomica, una superficie di cristallo di nitruro di gallio in crescita sembra tipicamente una scala di gradini, dove ogni scala è uno strato della struttura cristallina. Gli atomi vengono aggiunti a una superficie di cristallo in crescita attaccandoli ai bordi dei gradini. A causa della struttura cristallina del nitruro di gallio, i gradini hanno strutture a bordi alternati, etichettati A e B. Le diverse strutture atomiche portano a diversi comportamenti di crescita delle fasi A e B. La maggior parte dei modelli teorici indica che gli atomi si accumulano più velocemente su un gradino di tipo B, ma sono mancate conferme sperimentali.
"A causa delle alte temperature e dell'atmosfera chimica coinvolta, non è possibile esaminare la crescita del nitruro di gallio con un microscopio elettronico standard e testare la previsione del modello, " disse Stephenson. Per questo, il team ha fatto appello all'Advanced Photon Source (APS), un DOE Office of Science User Facility ad Argonne.
L'altissima energia dei raggi X disponibile presso l'APS con un raggio largo solo pochi micrometri (linea di luce 12-ID-D) ha permesso al team di monitorare il tasso di crescita del nitruro di gallio sui gradini della superficie del cristallo. Questi raggi X sono una sonda ideale poiché sono sensibili alla struttura su scala atomica e possono penetrare nell'ambiente del cristallo alle alte temperature coinvolte, oltre 1400 gradi Fahrenheit, mentre sta crescendo.
"Basato sulla modellazione, molti avevano ipotizzato che gli atomi probabilmente si accumulassero più velocemente nel passaggio di tipo B, "Ha detto Stephenson. "Immagina la nostra sorpresa quando si è rivelato essere il passaggio A. Ciò suggerisce che la chimica del processo di crescita potrebbe essere più complicata di quanto si pensasse in precedenza".
"Questo lavoro è un ottimo esempio dell'importanza e del potere di sondare un materiale mentre è in corso un processo, " ha aggiunto Matt Highland, fisico nella divisione di Scienze dei raggi X. "Molto spesso quando usiamo tali sonde per studiare processi come la sintesi, troviamo che la storia sia più complessa di quanto pensassimo inizialmente e contraria alla saggezza convenzionale".
I risultati hanno ovvie implicazioni per perfezionare l'attuale comprensione dei meccanismi su scala atomica della crescita del nitruro di gallio. Questa comprensione ha importanti implicazioni pratiche per la progettazione di dispositivi avanzati al nitruro di gallio, consentendo un migliore controllo della crescita e l'incorporazione di elementi aggiuntivi per migliorare le prestazioni. I risultati possono essere applicati anche alla crescita di cristalli correlati, compresi i materiali semiconduttori ospiti per la scienza dell'informazione quantistica.
Questa ricerca è stata supportata dal DOE Office of Basic Energy Sciences. È stato segnalato in Comunicazioni sulla natura , in un articolo intitolato "Lo scattering di raggi X sulla superficie del microraggio in situ rivela la cinetica dei passaggi alternati durante la crescita dei cristalli". Oltre a Stephenson e Highland, altri autori Argonne includono Guangxu Ju, Dongwei Xu (ora alla Huazhong University of Science and Technology), Eastman e Peter Zapol. I partecipanti all'università includono Carol Thompson (Northern Illinois University) e Weronika Walkosz (Lake Forest College).
