(PhysOrg.com) -- University of Maryland forskare har skapat ett helt nytt sätt att producera högkvalitativa halvledarmaterial som är avgörande för avancerad mikroelektronik och nanoteknik. Publicerad i numret 26 mars av Vetenskap , deras forskning är ett grundläggande steg framåt inom nanomaterialvetenskap som kan leda till betydande framsteg inom datorchips, fotovoltaiska celler, biomarkörer och andra applikationer, enligt författarna och andra experter.

"Detta är en major, stora framsteg som visar att det är möjligt att göra något som var omöjligt att göra tidigare, " sa Massachusetts Institute of Technology docent Francesco Stellacci, vars eget arbete fokuserar på upptäckt av nya egenskaper i nanoskala material och utveckling av nya nanotillverkningssystem. "Denna forskning visar faktiskt att det är möjligt på nanoskala för två material att lyckligtvis samexistera vid deras gränssnitt, två material som inte skulle samexistera annars, " förklarade Stellacci, som inte var inblandad i studien.

Leds av Min Ouyang, en biträdande professor vid institutionen för fysik och Maryland NanoCenter, University of Maryland-teamet har skapat en process som använder kemisk termodynamik för att producera, i lösning, ett brett utbud av olika kombinationsmaterial, var och en med ett skal av strukturellt perfekt monokristallhalvledare runt en metallkärna.

Ouyang och forskarkollegor Jiatao Zhang, Yun Tang och Kwan Lee, säga att deras metod erbjuder en mängd fördelar jämfört med den befintliga processen, känd som epitaxi, används för att skapa enkristallhalvledare och relaterade enheter. Den största fördelen med deras icke-epitaxiala process kan vara att den undviker två nyckelrestriktioner för epitaxi - en gräns för avsättningshalvledarskiktets tjocklek och ett styvt krav på "gittermatchning".

Restriktionerna för den epitaxiella metoden begränsar de material som kan bildas med den. Till exempel, författare Ouyang, Zhang, Tang och Lee noterar att försök att använda epitaxi för att uppnå den typ av hybrid kärna-skal nanostrukturer som de visar i sin artikel har varit misslyckade.

"Vår process bör möjliggöra skapandet av material som ger högintegrerade multifunktionella mikroelektroniska komponenter; bättre, effektivare material för fotovoltaiska celler; och nya biomarkörer, sa Ouyang, som noterade att hans team håller på att ansöka om ett patent. "Vi föreställer oss till exempel att vi kan använda den här metoden för att skapa nya typer av solcellsceller som är tio gånger effektivare för att omvandla solljus till elektricitet än nuvarande celler.

"Vår metod kräver inte en renrumsanläggning och materialen behöver inte formas i ett vakuum som de som tillverkas av konventionell epitaxi gör, Ouyang sa. "Därför skulle det också vara mycket enklare och billigare för företag att massproducera material med vår process."

Epitaxi är en av hörnstenarna i samtida halvledarindustri och nanoteknik. Det har ansetts vara den mest prisvärda metoden för högkvalitativ kristalltillväxt för många halvledarmaterial inklusive kisel-germanium, galliumnitrid, galliumarsenid, indiumfosfid och grafen.

Ett kvantsprång

Den nya metoden kan också användas för att designa och tillverka konstgjorda kvantstrukturer som hjälper forskare att förstå och manipulera den grundläggande fysiken för kvantinformationsbehandling på nanoskala, sa Ouyang, noterar att han och hans team har en separat artikel om kvantvetenskapliga tillämpningar av denna metod som de förväntar sig att publiceras inom en snar framtid.

Detta arbete stöddes av Office of Naval Research, National Science Foundation (NSF) och Beckman Foundation. Facilitetsstöd kom från Maryland Nanocenter och dess Nanoscale Imaging, Spektroskopi och egenskaper laboratorium, som delvis stöds av NSF som en delad experimentanläggning för materialforskningsvetenskap och ingenjörscentra.