Finjustering av sammansättningen av nitridlegeringar kan främja utvecklingen av optiska och elektroniska gränssnittsenheter.

Att kontrollera de elektroniska egenskaperna vid gränssnittet mellan material kan hjälpa till i strävan efter förbättringar av datorminne. KAUST-forskare visar att variation av atomsammansättningen av bornitridbaserade legeringar möjliggör inställning av en viktig elektronisk egenskap som kallas polarisation.

När ett elektriskt fält appliceras på en enda atom, det flyttar masscentrum av molnet av negativt laddade elektroner bort från den positivt laddade kärnan den omger. I ett kristallint fast ämne, dessa så kallade elektriska dipoler av alla atomer kombineras för att skapa elektrisk polarisation.

Vissa material uppvisar en spontan polarisering, även utan ett externt elektriskt fält. Sådant material har potentiell användning i datorminne, dock, denna applikation kräver ett materialsystem i vilket polarisationen är kontrollerbar. Besökande student Kaikai Liu, hans handledare Xiaohang Li och hans medarbetare undersökte ett tillvägagångssätt för polarisationsteknik vid gränssnittet mellan bornitrid-baserade legeringar.

Spontan polarisering är starkt beroende av strukturen och sammansättningen av atomkristallen. Vissa material, känd som piezoelektriker, kan ändra polarisering när den är fysiskt deformerad.

KAUST-teamet använde mjukvara kallad Vienna ab initio Simulation Package för att undersöka de elektroniska egenskaperna hos de ternära legeringarna boraluminiumnitrid och borgalliumnitrid. De tittade på hur de förändras när bor ersätter aluminium- och galliumatomer, respektive. "Vi beräknade den spontana polarisationen och piezoelektriska konstanterna för bornitridlegeringar inom ett nyligen föreslagit teoretiskt ramverk och effekten av polarisationen vid förbindelserna mellan dessa två material, säger Liu.

Teamet visade att den spontana polariseringen förändras mycket olinjärt med ökande borhalt; detta motsäger tidigare studier som antar ett linjärt samband.

Anledningen till denna olinjäritet tillskrivs volymdeformationen av legeringens ovanliga atomstruktur, känd som wurtzite. Den olinjära förändringen av den piezoelektriska polarisationen är mindre uttalad, men uppenbart. Detta uppstår på grund av den stora skillnaden i atomavstånd mellan bornitrid och både aluminiumnitrid och galliumnitrid. Vidare, bor-aluminiumnitrid eller bor-galliumnitrid kan bli icke-piezoelektriska när borhalten är mer än 87 procent och 74 procent, respektive.

Detta arbete visar att ett stort antal spontana och piezoelektriska polarisationskonstanter kan göras tillgängliga helt enkelt genom att ändra borinnehållet. Detta kan vara användbart för att utveckla optiska och elektroniska kopplingsanordningar bildade vid gränssnittet mellan konventionella nitridhalvledare och antingen bornaluminiumnitrid eller borongalliumnitrid.

"Vårt nästa steg blir att experimentellt testa de föreslagna korsningarna, som vår teori förutspår kan ha mycket bättre enhetsprestanda än nuvarande tillvägagångssätt, säger Liu.