Un equipo multiinstitucional dirigido por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del Departamento de Energía de EE. UU. Descubrió una forma de crear nuevas aleaciones que podrían formar la base de los semiconductores de próxima generación.

Las aleaciones de semiconductores ya existen, a menudo hechas de una combinación de materiales con arreglos atómicos similares, pero hasta ahora los investigadores creían que no era realista hacer aleaciones de ciertos componentes.

"Quizás en el pasado los científicos observaron dos materiales y dijeron que no puedo mezclar esos dos. Lo que estamos diciendo es pensar de nuevo, "dijo Aaron Holder, ex investigador postdoctoral de NREL y ahora profesor de investigación en la Universidad de Colorado Boulder. El titular es autor correspondiente de un nuevo artículo en Avances de la ciencia titulado Nuevo comportamiento de diagrama de fase y diseño de materiales en aleaciones de semiconductores heteroestructurales. "Hay una manera de hacerlo."

Los científicos conectados al Centro para la Próxima Generación de Materiales por Diseño (CNGMD) hicieron el gran avance y llevaron la idea de la teoría a la realidad. Un centro de investigación de la frontera energética, que cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía e investigadores de NREL, la Escuela de Minas de Colorado, Universidad Harvard, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, Instituto de Tecnología de Massachusetts, La Universidad Estatal de Oregon, y Laboratorio Nacional Acelerador SLAC.

"Es un buen ejemplo de lo que sucede cuando se reúnen diferentes instituciones con diferentes capacidades, "dijo Holder. Sus coautores de NREL son Stephan Lany, Sebastián Siol, Paul Ndione, Haowei Peng, William Tumas, John Perkins, David Ginley, y Andriy Zakutayev.

Un desajuste entre los arreglos atómicos frustró previamente la creación de ciertas aleaciones. Los investigadores con CNGMD pudieron crear una aleación de óxido de manganeso (MnO) y óxido de zinc (ZnO), aunque sus estructuras atómicas son muy diferentes. La nueva aleación absorberá una fracción significativa de la luz solar natural, aunque por separado ni el MnO ni el ZnO pueden hacerlo. "Es un tipo de investigación muy gratificante cuando se trabaja en equipo, predecir un material computacionalmente, y hacer que suceda en el laboratorio, "Dijo Lany.

Usando calor, mezclar un pequeño porcentaje de MnO con ZnO ya es posible, pero alcanzar una mezcla 1:1 requeriría temperaturas mucho mayores que 1, 000 grados Celsius (1, 832 grados Fahrenheit), y los materiales se volverían a separar a medida que se enfriaran.

Los científicos, quien también creó una aleación de sulfuro de estaño y sulfuro de calcio, depositó estas aleaciones como películas delgadas mediante la deposición por láser pulsado y la pulverización catódica con magnetrón. Ninguno de los métodos requirió temperaturas tan altas. "Demostramos que los métodos comerciales de deposición de película delgada se pueden utilizar para fabricar aleaciones heteroestructurales, abriendo un camino para su uso en aplicaciones de semiconductores del mundo real, ", dijo el coautor Zakutayev.

La investigación arrojó un primer vistazo al diagrama de fase de las aleaciones heteroestructurales, revelando una ruta predictiva para las propiedades de otras aleaciones junto con una gran área de metaestabilidad que mantiene los elementos combinados. "La aleación persiste en todo este espacio a pesar de que termodinámicamente debería separarse y descomponerse, "Dijo Holder.