Un equipo de investigadores de la Universidad de Osaka, el Instituto de Física de Alta Presión y el Instituto de Investigaciones Nucleares de la Academia de Ciencias de Rusia (Rusia), y TU Dresden (Alemania), descubrió un método eficaz para eliminar los defectos de celosía de los cristales. Los resultados de su investigación se publicaron en Journal of Physics:Materials.

Boro, un semiconductor, tiene una variedad de estructuras cristalinas, pero todos tienen grandes cantidades de defectos de celosía que estropean el estado de orden cristalino. En este estudio, el equipo obtuvo una fase ordenada de boro mediante la adición de hidrógeno (hidrogenación) a altas temperaturas y mediante la deshidrogenación mediante recocido a baja temperatura. Este nuevo método es el resultado teórico de los grupos de investigación en Japón y Alemania de un fenómeno que los grupos rusos descubrieron en experimentos.

Los defectos de celosía presentes en todos los materiales influyen en muchas de sus propiedades eléctricas. El uso adecuado de defectos cristalinos es útil en las aplicaciones electrónicas de semiconductores. La conductividad eléctrica de los semiconductores se puede mejorar dopando para producir semiconductores de tipo n (negativo) op (positivo). Este control de los defectos de la red se denomina "control de electrones de valencia" y se logra colocando dopantes (impurezas) en los sitios de los átomos. Sin embargo, Los átomos de impureza que ocupan los sitios intersticiales no son útiles para controlar los electrones de valencia.

En un cristal de boro muchos átomos están dispuestos al azar en los sitios intersticiales (Figura 1 (a)). Además, su estructura cristalina era demasiado difícil para que los átomos intersticiales alcanzaran los sitios deseables. Para convertir los cristales de boro en excelentes materiales semiconductores, es necesario reorganizar los átomos de boro distribuidos aleatoriamente en una estructura ordenada.

Por lo tanto, este equipo creó un cristal de boro α-tetragonal (α-T) a alta temperatura y presión, con una gran cantidad de hidrógeno como dopante. Las muestras obtenidas tenían muchos defectos. Como se muestra en la Figura 1 (a), mientras que el B ₁₂ Los racimos de boro icosaédricos (gris) están ordenados, Los átomos de boro (rojo) y los átomos de hidrógeno en los sitios intersticiales están dispuestos al azar (los átomos de hidrógeno se omiten en la figura). Más tarde, al recuperar las muestras a condiciones ambientales y recocerlas a temperaturas moderadas, la eliminación de los átomos de hidrógeno y el orden de los átomos de boro intersticiales ocurrieron simultáneamente (Figura 1 (b)). Esto indica que la disposición aleatoria de los átomos intersticiales se convierte en una estructura ordenada. Esta es la primera vez que se obtiene un cristal de boro ordenado con una celda unitaria grande (una celda unitaria que contiene más de 50 átomos de boro).

Generalmente, un cristal adquiere una estructura más ordenada a bajas temperaturas. Generalmente, la cristalización se produce a altas temperaturas, que inducen muchos defectos, y estos defectos se solidifican a bajas temperaturas. Sin embargo, cuando se incorporan de antemano átomos de hidrógeno volátiles, se liberan fácilmente mediante el recocido. Al liberarse la hidratación, se induce la migración de átomos, logrando el orden de los átomos de boro. Esta transición es una especie de "fenómeno cooperativo" entre dos cambios diferentes:la difusión del hidrógeno y el orden de los átomos del huésped.

El profesor asociado Shirai de la Universidad de Osaka dice:"Además del boro, Nuestro método para eliminar defectos también se puede aplicar a materiales a base de carbono, como el fullereno, que son muy duros y tienen un alto punto de fusión. Debido a que eliminar los defectos de estos materiales duros es difícil, nuestra receta también será un método eficaz para eliminar defectos de otros materiales semiconductores ".