Med lysande färger och pittoreska former, många kristaller är naturens under. Vissa kristaller är också vetenskapens underverk, med transformativa tillämpningar inom elektronik och optik. Att förstå hur man bäst odlar sådana kristaller är nyckeln till ytterligare framsteg.

Forskare från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillsammans med tre universitet, har avslöjat nya insikter om mekanismen bakom hur galliumnitridkristaller växer på atomär skala.

Galliumnitridkristaller är redan i stor användning i lysdioder, mer känd som lysdioder. De kan också användas för att bilda transistorer för högeffektskopplingselektronik för att göra elnäten mer energieffektiva och smartare. Användningen av sådana "smarta nät, "som bättre kan balansera hög effekt inom det övergripande systemet, kan förhindra människor från att tappa makten i svåra stormar.

"Det här arbetet är ett bra exempel på vikten och kraften i att sondera ett material medan en process pågår. Ganska ofta när vi använder sådana sonder för att studera processer som syntes, vi tycker att berättelsen är mer komplex än vi ursprungligen trodde och strider mot konventionell visdom." - Matt Highland, Röntgenvetenskapsavdelningen, Argonne National Laboratory

Samma teknik skulle också kunna göra enskilda hem mer energieffektiva. Och det kan användas i optisk kommunikation, där lasrar sänder information. Sådan informationsöverföring kan vara mer exakt, snabbare och säkrare än nuvarande kapacitet.

På grund av dessa olika tillämpningar, forskare över hela världen har arbetat för att förbättra processen för att odla galliumnitridkristaller.

"Galliumnitrid har en mer komplicerad kristallstruktur än kisel, det typiska kristallina materialet inom elektronik, " sade G. Brian Stephenson, en framstående stipendiat från Argonne inom materialvetenskapsavdelningen. "När du odlar den här kristallen, du får därmed ett mer fascinerande beteende på ytan."

På atomär skala, en växande galliumnitridkristallyta ser vanligtvis ut som en trappa med trappsteg, där varje trappa är ett lager av kristallstrukturen. Atomer läggs till en växande kristallyta genom fastsättning vid kanterna av stegen. På grund av galliumnitridkristallstrukturen, stegen har alternerande kantstrukturer, märkta A och B. De olika atomstrukturerna leder till olika tillväxtbeteenden för A- och B-stegen. De flesta teoretiska modeller indikerar att atomer ackumuleras snabbare på ett B-typsteg, men experimentell bekräftelse har saknats.

"På grund av de höga temperaturerna och den kemiska atmosfären, det är inte möjligt att undersöka tillväxten av galliumnitrid med ett standardelektronmikroskop och testa modellens förutsägelse, " sa Stephenson. För det, teamet anlitade Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility i Argonne.

Den mycket höga energin hos de röntgenstrålar som finns tillgängliga vid APS med en stråle bara några mikrometer bred (strållinje 12-ID-D) gjorde det möjligt för teamet att övervaka hastigheten för galliumnitridtillväxt på kristallytstegen. Dessa röntgenstrålar är en idealisk sond eftersom de är känsliga för struktur i atomär skala och kan penetrera kristallens miljö vid de höga temperaturer som är involverade, över 1400 grader Fahrenheit, medan den växer.

"Baserat på modellering, många hade antagit att atomer förmodligen byggs upp snabbare i typ-B-steget, "Sade Stephenson. "Föreställ er vår förvåning när det visade sig vara steg A. Detta tyder på att kemin i tillväxtprocessen kan vara mer komplicerad än man tidigare trott."

"Detta arbete är ett bra exempel på vikten och kraften i att sondera ett material medan en process pågår, " tillade Matt Highland, fysiker vid avdelningen för röntgenvetenskaper. "Ganska ofta när vi använder sådana sonder för att studera processer som syntes, vi tycker att berättelsen är mer komplex än vi ursprungligen trodde och strider mot konventionell visdom."

Resultaten har uppenbara implikationer för att förfina den nuvarande förståelsen av mekanismerna i atomskala för galliumnitridtillväxt. Denna förståelse har viktiga praktiska implikationer för design av avancerade galliumnitridenheter genom att tillåta bättre kontroll över tillväxten och införlivande av ytterligare element för förbättrad prestanda. Fynden kan också tillämpas på tillväxt av relaterade kristaller, inklusive värdhalvledarmaterial för kvantinformationsvetenskap.

Denna forskning stöddes av DOE Office of Basic Energy Sciences. Det rapporterades i Naturkommunikation , i en artikel med titeln "In situ mikrostråleytröntgenspridning avslöjar alternerande stegkinetik under kristalltillväxt." Förutom Stephenson och Highland, andra Argonne-författare inkluderar Guangxu Ju, Dongwei Xu (nu vid Huazhong University of Science and Technology), Eastman och Peter Zapol. Universitetsdeltagare inkluderar Carol Thompson (Northern Illinois University) och Weronika Walkosz (Lake Forest College).