I ett exempel på ordspråket "allt gammalt är nytt igen", rapporterar MIT-ingenjörer en ny upptäckt inom halvledare, välkända material som har varit i fokus för intensiva studier i över 100 år tack vare deras många tillämpningar i elektroniska enheter.

Teamet fann att dessa viktiga material inte bara blir mycket styvare som svar på ljus, utan effekten är reversibel när ljuset släcks. Ingenjörerna förklarar också vad som händer på atomär skala, och visar hur effekten kan ställas in genom att tillverka materialen på ett visst sätt – introducera specifika defekter – och använda olika färger och ljusintensiteter.

"Vi är glada över dessa resultat eftersom vi har avslöjat en ny vetenskaplig riktning inom ett annars mycket välbesökt område. Dessutom fann vi att fenomenet kan finnas i många andra föreningar", säger Rafael Jaramillo, Thomas Lord Docent i materialvetenskap och teknik vid MIT och ledare för teamet.

Säger Ju Li, en annan MIT-professor som är involverad i arbetet, "att se defekter som har så stora effekter på elastisk respons är mycket överraskande, vilket öppnar dörren till en mängd olika applikationer. Beräkning kan hjälpa oss att screena många fler sådana material." Li är Battelle Energy Alliance professor i kärnkraftsvetenskap och teknik (NSE) med en gemensam utnämning vid Institutionen för materialvetenskap och teknik (DMSE). Både Jaramillo och Li är också anslutna till Materials Research Laboratory.

Arbetet rapporteras i numret 3 augusti av Physical Review Letters . Den resulterande uppsatsen lyftes fram som ett redaktörsförslag. Det är också i fokus för en medföljande synopsis för Physics Magazine med titeln "Semiconductors in the Spotlight", av Sophia Chen.

Ytterligare författare till uppsatsen är Jiahao Dong och Yifei Li, DMSE-studenter som har bidragit lika mycket till arbetet; Yuying Zhou, en DMSE-besökande doktorand från Shanghai Institute of Applied Physics; Alan Schwartzman, en DMSE-forskare; Haowei Xu, en doktorand i NSE; och Bilal Azhar, en DMSE-student som tog examen 2020.

Spännande problem

Jaramillo minns att han blev fascinerad av en artikel från 2018 i Science visar hur en halvledare gjord av zinksulfid blir sprödare när den utsätts för ljus. "När [forskarna] lyste på den, betedde den sig som en smällare. Den gick sönder. När de släckte ljuset betedde den sig mer som en gummibjörn, där den kunde klämmas utan att gå i bitar."

Varför? Jaramillo och kollegor bestämde sig för att ta reda på det.

Längs vägen reproducerade teamet inte bara Science-arbetet, utan visade också att halvledarna ändrade sin elasticitet, en form av mekanisk styvhet, när de exponerades för ljus.

"Tänk på en studsboll", säger Jaramillo. "Anledningen till att den studsar är för att den är elastisk. När du kastar den på marken deformeras den men sedan omedelbart fjädrar den tillbaka (det är därför den studsar). Det vi upptäckte, vilket egentligen var ganska överraskande, är att de elastiska egenskaperna [av halvledare ] kan genomgå enorma förändringar under belysning, och att dessa förändringar är reversibla när ljuset släcks."

Vad händer

I det aktuella arbetet gjorde teamet en mängd olika experiment med zinksulfid och två andra halvledare där de mätte materialens styvhet under olika förhållanden, såsom ljusintensitet, med hjälp av en känslig teknik som kallas nanoindentation. I den tekniken registrerar en diamantspets som rör sig över materialets yta hur mycket kraft det krävs för att trycka in stiftet i de översta 100 nanometern, eller miljarddelar av en meter, av ytan.

De utförde också datorsimuleringar av vad som kunde hända på atomär skala, och utvecklade långsamt en teori för vad som hände. De upptäckte att defekter, eller saknade atomer, i materialen spelade en betydande roll i materialens mekaniska reaktion på ljus.

"Dessa lediga platser gör att kristallgittret i materialet mjuknar eftersom några av atomerna är längre ifrån varandra. Tänk på människor på en tunnelbanevagn. Det är lättare att klämma in fler människor om det finns större utrymmen mellan dem", säger Jaramillo.

"Under belysning blir de närvarande atomerna upphetsade och blir mer avvisande. Det är som om de där människorna på tunnelbanevagnen plötsligt började dansa och kasta sina armar runt", fortsatte han. Resultatet:atomerna motstår starkare att packas tätare ihop och materialet blir mekaniskt styvare.

Teamet upptäckte snabbt att de kunde justera den styvheten genom att ändra intensiteten och färgen på ljuset och genom att skapa specifika defekter i materialen. "Det är trevligt när du kan reducera något till defekt ingenjörskonst, för då kan du koppla in en av materialforskarnas kärnkompetenser, som är att kontrollera defekterna," sa Jaramillo. "Det är ungefär vad vi gör för att leva." + Utforska vidare

Stort framsteg när det gäller att skapa en ny familj av halvledarmaterial

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.