Gli scienziati dei materiali spesso cercano di modificare le proprietà fisiche di un materiale aggiungendo una certa proporzione di un elemento aggiuntivo; però, non sempre è possibile incorporare la quantità desiderata nella struttura cristallina del materiale. A TU Vienna, è stato sviluppato un nuovo metodo per produrre miscele precedentemente irraggiungibili di germanio e altri atomi. Ciò si traduce in nuovi materiali con proprietà significativamente alterate.

"Incorporare atomi estranei in un cristallo in modo mirato per migliorarne le proprietà è in realtà un metodo standard, " afferma Sven Barth dell'Institute of Materials Chemistry della TU Wien. L'elettronica moderna si basa su semiconduttori con determinati additivi. I cristalli di silicio incorporati con fosforo o boro ne sono un esempio.

I ricercatori hanno incontrato difficoltà nell'incorporare il germanio con altri atomi. Sciogliere i due elementi e mescolarli accuratamente insieme in forma liquida e poi lasciarli solidificare non funziona in questo caso. "Questo semplice metodo termodinamico fallisce, perché gli atomi aggiunti non si fondono in modo efficiente nel sistema reticolare del cristallo, " spiega Sven Barth. "Più alta è la temperatura, più gli atomi si muovono all'interno del materiale. Ciò può comportare la precipitazione di questi atomi estranei dal cristallo dopo che sono stati incorporati con successo, lasciando dietro di sé una concentrazione molto bassa di questi atomi all'interno del cristallo."

Il team di Barth ha quindi sviluppato un nuovo approccio che collega una crescita dei cristalli particolarmente rapida a temperature di processo molto basse. Nel processo, la giusta quantità di atomi estranei viene continuamente incorporata man mano che il cristallo cresce. I cristalli crescono sotto forma di fili o bacchette su scala nanometrica a temperature notevolmente inferiori rispetto a prima, nell'intervallo da soli 140 a 230 gradi C. "Di conseguenza, gli atomi incorporati sono meno mobili, i processi di diffusione sono lenti, e la maggior parte degli atomi rimane dove vuoi che siano, " spiega Barth.

Usando questo metodo, è stato possibile incorporare fino al 28% di stagno e 3,5% di gallio nel germanio. Questo è considerevolmente più di quanto fosse possibile in precedenza mediante la combinazione termodinamica convenzionale di questi materiali di un fattore da 30 a 50.

Questo apre nuove possibilità per la microelettronica:"Il germanio può essere efficacemente combinato con la tecnologia al silicio esistente, e anche l'aggiunta di stagno e/o gallio in concentrazioni così elevate offre potenziali applicazioni estremamente interessanti in termini di optoelettronica, " dice Sven Barth. I materiali sarebbero stati utilizzati per i laser a infrarossi, per fotorivelatori o per LED innovativi nel campo dell'infrarosso, Per esempio, poiché le proprietà fisiche del germanio sono significativamente modificate da questi additivi.