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化学家从以前不可能的材料开发纳米结构

发布时间:2018-05-14    点击量:39

纳米结构由以前不可能的材料制成。恩维恩

你如何将水晶中的不同元素结合起来?在恩维恩,现在已经开发了一种方法,将先前无法实现的高比例外来原子结合到晶体中。

当你烘焙蛋糕时,你可以将几乎任何比例的原料组合在一起,而且它们仍然可以混合在一起。这在材料化学中稍微复杂一些。通常,目标是通过添加一定比例的附加元素来改变材料的物理特性;然而,并不总是可以将所需量掺入到材料的晶体结构中。在恩维恩,已经开发了一种新方法,利用这种方法可以在锗和所需的外来原子之间实现以前无法达到的混合物。这导致具有显着改变的性能的新材料。

锗晶体中含有更多的锡或镓

“以有针对性的方式将外来原子结合到晶体中以改善其性能实际上是一种标准方法,”TU Wien材料化学研究所的Sven Barth说。我们的现代电子产品基于具有特定添加剂的半导体。其中掺入了诸如磷或硼等外来原子的硅晶体就是其中一个例子。

半导体材料锗也应该从根本上改变它的性质,并且当足够量的锡被混入时就像金属一样 - 这已经是已知的;然而,在实践中,这是以前没有达到的。

人们当然可以尝试简单地融化这两种元素,将它们以液体形式充分混合在一起,然后让它们固化,就像数千年来为了生产简单的金属合金一样。 “但在我们的例子中,这种简单的热力学方法失败了,因为添加的原子不能有效地混合到晶体的晶格系统中,”Sven Barth解释道。 “温度越高,原子在材料内移动的越多。这可能导致这些外来原子在成功掺入后从晶体中沉淀出来,在晶体内留下非常低浓度的这些原子。“

因此,Sven Barth的团队开发了一种新方法,将特别快速的晶体生长与非常低的过程温度联系起来。在此过程中,随着晶体长大,正确数量的外来原子会不断掺入。

晶体以纳米级线或棒的形式生长,特别是在比以前低得多的温度下,在140-230℃的范围内。 “因此,纳入的原子的流动性较差,扩散过程缓慢,大多数原子保持在您想要的位置,”Barth解释说。

使用这种方法,可以将高达28%的锡和3.5%的镓掺入锗中。这比以前通过传统的这些材料的热力学组合可以达到的要多30倍到50倍。

激光器,LED,电子元件

这为微电子技术开辟了新的可能性:“锗可以与现有的硅技术有效结合,并且在如此高的浓度下添加锡和/或镓,在光电子学方面提供了非常有趣的潜在应用,”Sven Barth说。例如,这些材料可用于红外激光器,光电探测器或红外范围内的创新型LED,因为锗的物理特性被这些添加剂显着改变。

出版物:

Seifner等,“Direct Synthesis of Hyperdoped Germanium Nanowires”,ACSNano 2018,12,1236-1241; DOI:10.1021 / acsnano.7b07248 Seifner等人,“推进各向异性Ge1-xi Sn的组成限制”xi i纳米结构及其热稳定性的测定“,Chem。 Mater。,2017,29(22),pp 9802-9813,DOI:10.1021 / acs.chemmater.7b03969

来源:TüWien材料化学研究所Sven Barth博士

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