Materialforskare försöker ofta ändra de fysiska egenskaperna hos ett material genom att lägga till en viss andel av ytterligare ett element; dock, det är inte alltid möjligt att införliva den önskade kvantiteten i materialets kristallstruktur. På TU Wien, en ny metod har utvecklats för att producera tidigare ouppnåeliga blandningar av germanium och andra atomer. Detta resulterar i nya material med väsentligt förändrade egenskaper.

"Att införliva främmande atomer i en kristall på ett målinriktat sätt för att förbättra dess egenskaper är faktiskt en standardmetod, " säger Sven Barth från Institutet för materialkemi vid TU Wien. Modern elektronik bygger på halvledare med vissa tillsatser. Kiselkristaller inkorporerade med fosfor eller bor är ett sådant exempel.

Forskare har stött på svårigheter att införliva germanium med andra atomer. Att smälta de två elementen och grundligt blanda dem i flytande form och sedan låta dem stelna fungerar inte i det här fallet. "Denna enkla termodynamiska metod misslyckas, eftersom de tillsatta atomerna inte effektivt smälter in i kristallens gittersystem, " förklarar Sven Barth. "Ju högre temperatur, desto mer rör sig atomerna inuti materialet. Detta kan resultera i att dessa främmande atomer fälls ut ur kristallen efter att de framgångsrikt har införlivats, lämnar efter sig en mycket låg koncentration av dessa atomer i kristallen. "

Barths team utvecklade därför ett nytt tillvägagångssätt som kopplar särskilt snabb kristalltillväxt till mycket låga processtemperaturer. I processen, den korrekta mängden främmande atomer inkorporeras kontinuerligt när kristallen växer. Kristallerna växer i form av nanoskala trådar eller stavar vid betydligt lägre temperaturer än tidigare, i intervallet bara 140 till 230 grader C. "Som ett resultat, de inkorporerade atomerna är mindre rörliga, diffusionsprocesserna är långsamma, och de flesta atomer stannar där du vill att de ska vara, " förklarar Barth.

Med denna metod, det har varit möjligt att införliva upp till 28 procent tenn och 3,5 procent gallium i germanium. Detta är avsevärt mer än vad som tidigare varit möjligt med hjälp av den konventionella termodynamiska kombinationen av dessa material med en faktor på 30 till 50.

Detta öppnar nya möjligheter för mikroelektronik:"Germanium kan effektivt kombineras med befintlig kiselteknik, och även tillsatsen av tenn och/eller gallium i så höga koncentrationer erbjuder extremt intressanta potentiella tillämpningar när det gäller optoelektronik, "säger Sven Barth. Materialen skulle användas för infraröda lasrar, för fotodetektorer eller för innovativa lysdioder inom det infraröda området, till exempel, eftersom germaniums fysikaliska egenskaper förändras avsevärt av dessa tillsatser.