(PhysOrg.com) -- La fotocamera del telefono raccoglie la luce sul silicio e traduce tali informazioni in bit digitali. Uno dei motivi per cui le fotocamere e i telefoni continuano a migliorare è che i ricercatori stanno sviluppando nuovi materiali che assorbono più luce, usa meno energia, e sono meno costosi da produrre.

Ora, I ricercatori di scienza e ingegneria dei materiali dell'Università del Wisconsin-Madison hanno introdotto innovazioni che potrebbero rendere possibile un'ampia gamma di nuovi materiali cristallini. Scrivendo nel numero web dell'8 giugno della rivista American Chemical Society ACS Nano , Gli assistenti di ricerca Deborah Paskiewicz e Boy Tanto insieme allo scienziato Donald Savage ed Erwin W. Mueller Professor e al Bascom Professor of Surface Science Max Lagally, descrivere un nuovo approccio per l'utilizzo di fogli sottili di semiconduttori noti come nanomembrane.

L'allungamento controllato di queste membrane tramite epitassia consente al team di fabbricare nanomembrane di silicio germanio completamente rilassate elasticamente da utilizzare come substrati di crescita per nuovi materiali. Il team ha coltivato strati di germanio di silicio privi di difetti con qualsiasi concentrazione di germanio desiderata su substrati di silicio e quindi ha rilasciato gli strati di germanio di silicio dal silicio rigido, permettendo loro di rilassarsi completamente come nanomateriali indipendenti. Il film di silicio germanio viene quindi trasferito su un nuovo ospite e lì legato. Da questa fase, può essere coltivato un cristallo di germanio di silicio sfuso privo di difetti (cosa non possibile con la tecnologia attuale), oppure la membrana silicio-germanio può essere utilizzata come substrato unico per coltivare altri materiali.

Epitassia, crescita che controlla la disposizione degli atomi in strati sottili su un substrato, è la tecnologia fondamentale alla base dell'uso da parte dell'industria dei semiconduttori di questi nuovi materiali. Combinando elementi, i ricercatori possono coltivare materiali con proprietà uniche che rendono possibili nuovi tipi di sensori o alta velocità, a bassa potenza, elettronica avanzata efficiente. È la capacità di farle crescere senza difetti dannosi che rende queste leghe utili all'industria dei semiconduttori. Però, la realizzazione di cristalli di alta qualità che combinano due o più elementi deve affrontare limitazioni significative che hanno assillato i ricercatori per decenni.

“Molti materiali costituiti da più di un elemento semplicemente non possono essere utilizzati. Le distanze tra gli atomi non sono le stesse, "dice Lagally. “Quando si comincia a crescere un tale strato, gli atomi iniziano ad interferire tra loro e molto presto il materiale non può più crescere come un solo cristallo perché inizia ad avere dei difetti. Infine, si scompone in piccoli cristalli e diventa policristallino, o addirittura crepe.”

Oltre al suo utilizzo nell'industria dei semiconduttori, il silicio germanio è importante per il nascente campo dell'informatica quantistica. Un computer quantistico utilizza direttamente i fenomeni della meccanica quantistica come la sovrapposizione e l'entanglement per eseguire calcoli. I computer attuali sono limitati a due stati; acceso e spento, o zero e uno. Con sovrapposizione, i computer quantistici codificano le informazioni come bit quantistici. Questi bit rappresentano i vari stati e il funzionamento interno di atomi ed elettroni. Manipolando questi stati multipli contemporaneamente, un computer quantistico su larga scala, se può essere costruito, potrebbe essere milioni di volte più potente del supercomputer classico più potente di oggi.

Il professor Mark Eriksson di fisica dell'UW-Madison usa il silicio-germanio per produrre gas di elettroni bidimensionali. "Un "gas elettronico bidimensionale" è uno strato di un semiconduttore in cui le cariche sono in grado di muoversi liberamente su grandi distanze, in analogia con gli atomi in un gas reale, tranne confinato ad uno strato sottile e quindi bidimensionale. Per l'informatica quantistica, questo gas di elettroni 2-D è formato in uno strato di silicio deformato cresciuto su un substrato di silicio germanio. Gli elettrodi posti sopra una struttura contenente il gas di elettroni 2-D nello strato di silicio deformato consentono di spostare e controllare singoli elettroni, trasformando le regioni del pozzo quantistico in "secchi di elettroni, ' se vuoi, che sono definiti dai campi elettrici degli elettrodi superiori, "dice Lagally.

Uno dei principali ostacoli allo sviluppo di un computer quantistico è la creazione di più bucket quantistici il più simili possibile. Per fare rapidi progressi, i ricercatori hanno bisogno di materiali a basso difetto e coerenti.

“Con i substrati di silicio germanio che abbiamo utilizzato, i campi elettrostatici possono essere abbastanza incerti a causa dei difetti del substrato, "dice Lagally. “Crediamo che il nostro nuovo processo possa risolvere questo problema. Poiché il materiale del substrato è uniforme, senza difetti, dovrebbe portare più prevedibilità e controllo agli sforzi di Mark”.

Oltre al silicio germanio, Lagally afferma che il processo dovrebbe funzionare per una vasta gamma di materiali esotici che non possono essere coltivati ​​sfusi ma hanno proprietà interessanti. Il professore associato di scienza e ingegneria dei materiali Paul Evans sviluppa nuovi modi per sondare e applicare questi materiali.

“I sottili substrati privi di difetti che possono essere prodotti trasferendo e rilassando questi strati presentano interessanti opportunità nella crescita di materiali oltre il silicio e altri semiconduttori tradizionali, "dice Evans. “Con questo approccio, sarà possibile produrre substrati privi di difetti di materiali per i quali non esistono materiali sfusi di alta qualità cristallina. Negli ossidi complessi, questo può portare a substrati sottili che stabilizzano specifiche fasi ferroelettriche o dielettriche. Ciò potrebbe portare a oscillatori migliori, sensori e dispositivi ottici, che sono importanti per i telefoni cellulari, fotocamere e computer che usiamo tutti i giorni”.