En defektfri tunn film av kopparjodid – som består av bara en kristall – har tillverkats av RIKEN-fysiker. Det atomiskt platta provet är ett lyft för att producera bättre halvledare.

Halvledare ligger i hjärtat av många optoelektroniska enheter, inklusive lasrar och lysdioder (LED). Ingenjörer skulle älska att använda kopparjodid - ett exempel på en halogenidförening - för halvledare eftersom det är en utmärkt ledare som är stabil över rumstemperatur. Problemet är att det är svårt att tillverka en riktigt tunn film av kopparjodid utan föroreningar. Den vanliga metoden innebär avsättning av filmen från en lösning. "Men en lösningsprocess kan inte göra en högkvalitativ tunn film av kopparjodid, säger Masao Nakamura från RIKEN Center for Emergent Matter Science.

Istället, Nakamura och hans medarbetare använde en alternativ teknik som kallas molekylär strålepitaxi, där filmen gradvis odlas ovanpå ett substrat, vid förhöjd temperatur och i vakuum. Molekylär strålepitaxi används redan ofta vid tillverkning av halvledare. Men det är svårt att använda för kopparjodid eftersom materialet är mycket flyktigt - vilket betyder att det lätt avdunstar under processen, snarare än att bosätta sig i en film. För att övervinna denna svårighet, teamet började odla sin film vid en lägre temperatur och ökade sedan temperaturen. "Denna tvåstegsprocess som vi nyligen utvecklade var mycket effektiv, säger Nakamura.

Teamet hade ytterligare ett knep för att höja kvaliteten på sin film. De valde indiumarsenid som substrat eftersom dess gitteravstånd är mycket likt det för kopparjodid. "Om gitteravståndet inte är väl anpassat, många defekter kommer att bildas i materialet, " förklarar Nakamura.

Nakamura och hans kollegor testade sedan renheten hos deras prov med en teknik som kallas fotoluminescensspektroskopi, som involverar avfyring av fotoner, eller ljuspartiklar, vid materialets yta. Dessa fotoner absorberas av materialet, excitera dess elektroner till ett högre energitillstånd och får dem att sända ut nya fotoner (Fig. 1). Genom att övervaka det emitterade ljuset kunde teamet fastställa att de hade skapat en enkristallfilm, fri från defekter. "Vi förväntade oss att kvaliteten skulle förbättras med vår metod, " säger Nakamura. "Men resultaten överträffade våra förväntningar."

Nakamura och hans team planerar nu att lägga ihop halvledare gjorda av olika halogenider och undersöka nya egenskaper som uppstår. "Vi kommer att utforska nya nya funktioner och fysik vid halogenidgränssnitten, säger Nakamura.