Esquema de la dispersión de rayos X de la superficie del microhaz durante el crecimiento de cristales de nitruro de galio a alta temperatura. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne.
Con colores brillantes y formas pintorescas, muchos cristales son maravillas de la naturaleza. Algunos cristales también son maravillas de la ciencia, con aplicaciones transformadoras en electrónica y óptica. Comprender cuál es la mejor manera de cultivar estos cristales es clave para seguir avanzando.
Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), junto con tres universidades, han revelado nuevos conocimientos sobre el mecanismo detrás de cómo crecen los cristales de nitruro de galio a escala atómica.
Los cristales de nitruro de galio ya se utilizan ampliamente en diodos emisores de luz, más conocido como LED. También podrían aplicarse para formar transistores para electrónica de conmutación de alta potencia para hacer que las redes eléctricas sean más eficientes energéticamente e inteligentes. El uso de estas "redes inteligentes, "que podría equilibrar mejor la alta potencia dentro del sistema general, podría evitar que las personas pierdan energía en tormentas severas.
"Este trabajo es un gran ejemplo de la importancia y el poder de sondear un material mientras un proceso está en marcha. Muy a menudo, cuando usamos este tipo de sondas para estudiar procesos como la síntesis, encontramos que la historia es más compleja de lo que pensamos originalmente y contraria a la sabiduría convencional ". Matt Highland, División de Ciencias de Rayos X, Laboratorio Nacional Argonne
La misma tecnología también podría hacer que los hogares individuales sean más eficientes energéticamente. Y podría encontrar uso en comunicaciones ópticas, donde los láseres transmiten información. Dicha transferencia de información puede ser más precisa, más rápido y más seguro que las capacidades actuales.
Debido a estas diversas aplicaciones, Los científicos de todo el mundo han estado trabajando para mejorar el proceso de cultivo de cristales de nitruro de galio.
"El nitruro de galio tiene una estructura cristalina más complicada que el silicio, el material cristalino típico en electrónica, "dijo G. Brian Stephenson, un miembro distinguido de Argonne en la división de Ciencia de Materiales. "Cuando cultives este cristal, así se obtiene un comportamiento más fascinante en la superficie ".
Esquema de las estructuras superficiales que se forman durante los procesos de crecimiento del nitruro de galio (evaporación y deposición). Los escalones en los bordes de cada capa atómica tienen estructuras alternas (A o B). Crédito:Laboratorio Nacional Argonne.
A escala atómica, una superficie de cristal de nitruro de galio en crecimiento generalmente se ve como una escalera de escalones, donde cada escalera es una capa de la estructura cristalina. Los átomos se agregan a una superficie de cristal en crecimiento mediante la unión en los bordes de los escalones. Debido a la estructura cristalina de nitruro de galio, los escalones tienen estructuras de borde alternas, etiquetados como A y B. Las diferentes estructuras atómicas conducen a diferentes comportamientos de crecimiento de los pasos A y B. La mayoría de los modelos teóricos indican que los átomos se acumulan más rápido en un paso de tipo B, pero ha faltado confirmación experimental.
"Debido a las altas temperaturas y la atmósfera química involucrada, no es posible examinar el crecimiento de nitruro de galio con un microscopio electrónico estándar y probar la predicción del modelo, "Dijo Stephenson. Por eso, el equipo recurrió a Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne.
La muy alta energía de los rayos X disponibles en el APS con un haz de solo unos pocos micrómetros de ancho (línea de luz 12-ID-D) permitió al equipo monitorear la tasa de crecimiento de nitruro de galio en los escalones de la superficie del cristal. Estos rayos X son una sonda ideal ya que son sensibles a la estructura a escala atómica y pueden penetrar el entorno del cristal a las altas temperaturas involucradas. más de 1400 grados Fahrenheit, mientras crece.
"Basado en modelos, muchos habían asumido que los átomos probablemente se acumulan más rápido en el paso de tipo B, ", Dijo Stephenson." Imagine nuestra sorpresa cuando resultó ser el paso A. Esto sugiere que la química del proceso de crecimiento puede ser más complicada de lo que se pensaba ".
"Este trabajo es un gran ejemplo de la importancia y el poder de sondear un material mientras se lleva a cabo un proceso, "agregó Matt Highland, físico en la división de Ciencias de Rayos X. "Muy a menudo, cuando utilizamos este tipo de sondas para estudiar procesos como la síntesis, encontramos que la historia es más compleja de lo que pensamos originalmente y contraria a la sabiduría convencional ".
Los resultados tienen implicaciones obvias para refinar la comprensión actual de los mecanismos a escala atómica del crecimiento del nitruro de galio. Esta comprensión tiene importantes implicaciones prácticas para el diseño de dispositivos avanzados de nitruro de galio al permitir un mejor control del crecimiento y la incorporación de elementos adicionales para mejorar el rendimiento. Los hallazgos también se pueden aplicar al crecimiento de cristales relacionados, incluidos los materiales semiconductores de acogida para la ciencia de la información cuántica.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE. Fue reportado en Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo titulado "La dispersión de rayos X de la superficie del microhaz in situ revela una cinética de pasos alternos durante el crecimiento de los cristales". Además de Stephenson y Highland, otros autores de Argonne incluyen Guangxu Ju, Dongwei Xu (ahora en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong), Eastman y Peter Zapol. Los participantes de la universidad incluyen Carol Thompson (Northern Illinois University) y Weronika Walkosz (Lake Forest College).
