Un team multi-istituzionale guidato dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha scoperto un modo per creare nuove leghe che potrebbero costituire la base dei semiconduttori di prossima generazione.

Esistono già leghe di semiconduttori, spesso realizzate con una combinazione di materiali con disposizioni atomiche simili, ma fino ad ora i ricercatori ritenevano irrealistico realizzare leghe con determinati componenti.

"Forse in passato gli scienziati hanno esaminato due materiali e hanno detto che non posso mischiarli. Quello che stiamo dicendo è ripensarci, " ha detto Aaron Holder, un ex ricercatore post-dottorato NREL e ora facoltà di ricerca presso l'Università del Colorado Boulder. Titolare è l'autore corrispondente di un nuovo articolo in Progressi scientifici intitolato Novel diagramma di fase comportamento e design dei materiali in leghe di semiconduttori eterostrutturali. "C'è un modo per farlo".

Gli scienziati collegati al Center for Next Generation of Materials by Design (CNGMD) hanno fatto la svolta e hanno portato l'idea dalla teoria alla realtà. Un centro di ricerca di frontiera energetica, che è supportato dall'Ufficio della Scienza del Dipartimento dell'Energia e dai ricercatori del NREL, la Colorado School of Mines, Università di Harvard, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Istituto di Tecnologia del Massachussetts, Università statale dell'Oregon, e SLAC National Accelerator Laboratory.

"È davvero un bell'esempio di ciò che accade quando si uniscono istituzioni diverse con capacità diverse, " ha detto Holder. I suoi coautori di NREL sono Stephan Lany, Sebastiano Siol, Paolo Ndione, Haowei Peng, William Tumas, John Perkins, David Ginley, e Andriy Zakutayev.

Una mancata corrispondenza tra le disposizioni atomiche in precedenza ostacolava la creazione di alcune leghe. I ricercatori con CNGMD sono stati in grado di creare una lega di ossido di manganese (MnO) e ossido di zinco (ZnO), anche se le loro strutture atomiche sono molto diverse. La nuova lega assorbirà una frazione significativa della luce solare naturale, anche se separatamente né MnO né ZnO possono. "È un tipo di ricerca molto gratificante quando lavori in squadra, prevedere un materiale computazionalmente, e realizzalo in laboratorio, " Ha detto Lany.

Usando il calore, è già possibile miscelare una piccola percentuale di MnO con ZnO, ma raggiungere un mix 1:1 richiederebbe temperature molto maggiori di 1, 000 gradi Celsius (1, 832 gradi Fahrenheit), e i materiali si separerebbero di nuovo mentre si raffreddavano.

Gli scienziati, che creò anche una lega di solfuro di stagno e solfuro di calcio, depositato queste leghe come film sottili utilizzando la deposizione laser pulsata e lo sputtering di magnetron. Nessuno dei due metodi richiedeva temperature così elevate. "Mostriamo che i metodi commerciali di deposizione di film sottili possono essere utilizzati per fabbricare leghe eterostrutturali, aprendo la strada al loro utilizzo nelle applicazioni dei semiconduttori del mondo reale, ", ha detto il co-autore Zakutayev.

La ricerca ha prodotto una prima occhiata al diagramma di fase per le leghe eterostrutturali, rivelando un percorso predittivo per le proprietà di altre leghe insieme a un'ampia area di metastabilità che mantiene combinati gli elementi. "La lega persiste in tutto questo spazio anche se termodinamicamente dovrebbe separarsi in fasi e decomporsi, " Disse il titolare.