(PhysOrg.com) - Kameran i din telefon samlar in ljus på kisel och översätter den informationen till digitala bitar. En av anledningarna till att kameror och telefoner fortsätter att förbättras är att forskare utvecklar nya material som absorberar mer ljus, använda mindre ström, och är billigare att tillverka.
Nu, University of Wisconsin-Madison materialvetenskapliga och tekniska forskare har introducerat innovationer som kan möjliggöra ett brett spektrum av nya kristallina material. Skriver i den 8 juni webbutgåvan av American Chemical Society journal ACS Nano , Forskningsassistenter Deborah Paskiewicz och Boy Tanto tillsammans med forskaren Donald Savage och Erwin W. Mueller professor och Bascom professor i ytvetenskap Max Lagally, beskriv ett nytt tillvägagångssätt för användning av tunna ark med halvledare som kallas nanomembraner.
Kontrollerad sträckning av dessa membran via epitaxy gör att laget kan tillverka helt elastiskt avslappnade germanium -nanomembraner för användning som tillväxtsubstrat för nya material. Teamet odlade defektfria kisel-germaniumskikt med önskad germaniumkoncentration på kiselsubstrat och släppte sedan kisel-germaniumskikten från det styva kisel, så att de kan slappna av helt som fristående nanomaterial. Kisel -germaniumfilmen överförs sedan till en ny värd och bindas där. Från detta skede, en defektfri bulk kisel germaniumkristall kan odlas (något som inte är möjligt med nuvarande teknik), eller kisel -germaniummembranet kan användas som ett unikt substrat för odling av andra material.
Epitaxy, tillväxt som styr anordnandet av atomer i tunna skikt på ett substrat, är den grundläggande tekniken som ligger till grund för halvledarindustrins användning av dessa nya material. Genom att kombinera element, forskare kan odla material med unika egenskaper som möjliggör nya typer av sensorer eller hög hastighet, låg effekt, effektiv avancerad elektronik. Det är förmågan att odla dem utan skadliga defekter som gör dessa legeringar användbara för halvledarindustrin. Dock, att göra kristaller av hög kvalitet som kombinerar två eller flera element står inför betydande begränsningar som har irriterat forskare i årtionden.
”Många material som består av mer än ett element kan helt enkelt inte användas. Avstånden mellan atomer är inte desamma, ”Säger Lagally. "När man börjar växa ett sådant lager, atomerna börjar störa varandra och mycket snart kan materialet inte längre växa som en enda kristall eftersom det börjar ha defekter i det. Så småningom, det bryts upp i små kristaller och blir polykristallint, eller till och med sprickor. ”
Förutom dess användning i halvledarindustrin, kisel germanium är viktigt för det framväxande området för kvantberäkning. En kvantdator använder direkt kvantmekaniska fenomen som superposition och intrassling för att utföra beräkningar. Nuvarande datorer är begränsade till två tillstånd; på och av, eller noll och en. Med superposition, kvantdatorer kodar information som kvantbitar. Dessa bitar representerar de olika tillstånden och inre funktionerna hos atomer och elektroner. Genom att manipulera dessa flera tillstånd samtidigt, en storskalig kvantdator, om det går att bygga, kan vara miljontals gånger starkare än dagens mest kraftfulla klassiska superdator.
UW-Madison Physics Professor Mark Eriksson använder kiselgermanium för att göra tvådimensionella elektrongaser. "En" tvådimensionell elektrongas "är ett lager av en halvledare där laddningar kan röra sig fritt över stora avstånd, i analogi med atomer i en riktig gas, förutom begränsat till ett tunt lager och därmed tvådimensionellt. För kvantberäkning, denna 2-D elektrongas bildas i ett silikonskikt som odlas på ett kisel-germaniumsubstrat. Elektroder placerade ovanpå en struktur som innehåller 2-D elektrongas i det silade kiselskiktet gör att en kan röra sig och styra enstaka elektroner, förvandla kvantområdena till elektronskopor, 'Om du vill, som definieras av de elektriska fälten från de övre elektroderna, säger Lagally.
Ett stort hinder för att utveckla en kvantdator är att skapa flera kvantskopor så lika som möjligt. För att göra snabba framsteg, forskare behöver material med låg defekt och konsekvent.
”Med de kisel -germaniumsubstrat vi har använt, de elektrostatiska fälten kan vara ganska osäkra på grund av defekterna i substratet, ”Säger Lagally. ”Vi tror att vår nya process kan fixa det. Eftersom substratmaterialet är enhetligt, utan defekter, det borde ge mer förutsägbarhet och kontroll över Marks ansträngningar. ”
Utöver kisel germanium, Lagally säger att processen bör fungera för ett brett spektrum av exotiska material som inte kan odlas i bulk men har intressanta egenskaper. Materiallärare Paul Evans utvecklar nya sätt att undersöka och tillämpa dessa material.
”De tunna defektfria substraten som kan produceras genom att överföra och slappna av dessa lager ger spännande möjligheter för materialtillväxt bortom kisel och andra traditionella halvledare, Säger Evans. "Med detta tillvägagångssätt, det kommer att vara möjligt att producera defektfria substrat av material för vilka inga bulkmaterial av hög kristallin kvalitet finns. I komplexa oxider, detta kan leda till tunna substrat som stabiliserar specifika ferroelektriska eller dielektriska faser. Det kan leda till bättre oscillatorer, sensorer och optiska enheter, som är viktiga för mobiltelefonerna, kameror och datorer vi använder till vardags. ”
