Une équipe de chercheurs de l'Université d'Osaka, l'Institut de physique des hautes pressions et l'Institut de recherche nucléaire de l'Académie des sciences de Russie (Russie), et TU Dresden (Allemagne), découvert une méthode efficace pour éliminer les défauts de réseau des cristaux. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Journal of Physics:Materials.

Bore, un semi-conducteur, a une variété de structures cristallines, mais tous ont de grandes quantités de défauts de réseau qui gâchent l'état d'ordre cristallin. Dans cette étude, l'équipe a obtenu une phase ordonnée de bore en ajoutant de l'hydrogène (hydrogénation) à haute température et par déshydrogénation par recuit à basse température. Cette nouvelle méthode est le résultat théorique par les groupes de recherche au Japon et en Allemagne d'un phénomène que les groupes russes ont découvert lors d'expériences.

Les défauts de réseau présents dans tous les matériaux influencent bon nombre de leurs propriétés électriques. La bonne utilisation des défauts cristallins est utile dans les applications électroniques des semi-conducteurs. La conductivité électrique des semi-conducteurs peut être améliorée par dopage pour produire des semi-conducteurs de type n (négatif) ou p (positif). Ce contrôle des défauts du réseau est appelé "contrôle des électrons de valence" et est réalisé en plaçant des dopants (impuretés) dans les sites des atomes. Cependant, les atomes d'impuretés qui occupent les sites interstitiels ne sont pas utiles pour contrôler les électrons de valence.

Dans un cristal de bore, de nombreux atomes sont disposés au hasard dans les sites interstitiels (Figure 1 (a)). En outre, sa structure cristalline était trop dure pour que les atomes interstitiels atteignent les sites souhaités. Pour rendre les cristaux de bore d'excellents matériaux semi-conducteurs, il est nécessaire de réarranger les atomes de bore distribués au hasard dans une structure ordonnée.

Ainsi, cette équipe a créé un cristal de bore α-tétragonal (α-T) à haute température et pression, avec une grande quantité d'hydrogène comme dopant. Les échantillons obtenus présentaient de nombreux défauts. Comme le montre la figure 1 (a), tandis que le B 12 les amas de bore icosaédriques (gris) sont ordonnés, les atomes de bore (rouge) et les atomes d'hydrogène dans les sites interstitiels sont disposés de manière aléatoire (les atomes d'hydrogène sont omis sur la figure). Plus tard, lors de la remise des échantillons aux conditions ambiantes et de leur recuit à température modérée, l'élimination des atomes d'hydrogène et l'ordonnancement des atomes de bore interstitiels se sont produits simultanément (figure 1 (b)). Cela indique que l'arrangement aléatoire des atomes interstitiels devient une structure ordonnée. C'est la première fois qu'un cristal de bore ordonné avec une grande maille élémentaire (une maille élémentaire contenant plus de 50 atomes de bore) est obtenu.

Généralement, un cristal prend une structure plus ordonnée à basse température. D'habitude, la cristallisation se produit à haute température, qui induisent de nombreux défauts, et ces défauts se solidifient à basse température. Cependant, lorsque des atomes d'hydrogène volatils sont préalablement incorporés, ils sont facilement libérés par recuit. Lors des libérations d'hydratation, la migration des atomes est induite, la réalisation de l'ordre des atomes de bore. Cette transition est une sorte de "phénomène coopératif" entre deux changements différents :la diffusion de l'hydrogène et l'ordonnancement des atomes hôtes.

Le professeur associé Shirai de l'Université d'Osaka a déclaré :« En plus du bore, notre méthode d'élimination des défauts peut également être appliquée aux matériaux à base de carbone, comme le fullerène, qui sont très durs et ont un point de fusion élevé. Parce qu'il est difficile d'éliminer les défauts de ces matériaux durs, notre recette sera également une méthode efficace pour éliminer les défauts d'autres matériaux semi-conducteurs."