Schéma de la diffusion des rayons X à la surface du microfaisceau pendant la croissance du cristal de nitrure de gallium à haute température. Crédit :Laboratoire National d'Argonne.
Avec des couleurs éclatantes et des formes pittoresques, de nombreux cristaux sont des merveilles de la nature. Certains cristaux sont aussi des merveilles de la science, avec des applications transformatrices en électronique et en optique. Comprendre comment faire pousser au mieux de tels cristaux est essentiel pour de nouvelles avancées.
Des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), avec trois universités, ont révélé de nouvelles connaissances sur le mécanisme de la croissance des cristaux de nitrure de gallium à l'échelle atomique.
Les cristaux de nitrure de gallium sont déjà largement utilisés dans les diodes électroluminescentes, mieux connu sous le nom de LED. Ils pourraient également être appliqués pour former des transistors pour l'électronique de commutation haute puissance afin de rendre les réseaux électriques plus économes en énergie et plus intelligents. L'utilisation de ces "réseaux intelligents, " qui pourrait mieux équilibrer la puissance élevée au sein du système global, pourrait empêcher les gens de perdre de l'électricité lors de violentes tempêtes.
"Ce travail est un excellent exemple de l'importance et de la puissance de sonder un matériau pendant qu'un processus est en cours. Assez souvent, lorsque nous utilisons de telles sondes pour étudier des processus comme la synthèse, nous trouvons que l'histoire est plus complexe que nous ne le pensions à l'origine et va à l'encontre de la sagesse conventionnelle. »—Matt Highland, Division des sciences des rayons X, Laboratoire National d'Argonne
La même technologie pourrait également rendre les maisons individuelles plus économes en énergie. Et il pourrait trouver une utilisation dans les communications optiques, où les lasers transmettent des informations. Un tel transfert d'informations peut être plus précis, plus rapide et plus sûr que les capacités actuelles.
En raison de ces diverses applications, des scientifiques du monde entier ont travaillé pour améliorer le processus de croissance des cristaux de nitrure de gallium.
"Le nitrure de gallium a une structure cristalline plus compliquée que le silicium, le matériau cristallin typique de l'électronique, " a déclaré G. Brian Stephenson, un membre distingué d'Argonne dans la division Science des matériaux. "Quand tu fais pousser ce cristal, vous obtenez ainsi un comportement plus fascinant à la surface."
Schéma des structures de surface qui se forment au cours des processus de croissance du nitrure de gallium (évaporation et dépôt). Les marches aux bords de chaque couche atomique ont des structures alternées (A ou B). Crédit :Laboratoire National d'Argonne.
A l'échelle atomique, une surface cristalline de nitrure de gallium en croissance ressemble généralement à un escalier de marches, où chaque escalier est une couche de la structure cristalline. Des atomes sont ajoutés à une surface cristalline en croissance par fixation sur les bords des marches. En raison de la structure cristalline du nitrure de gallium, les marches ont des structures de bord alternées, étiquetés A et B. Les différentes structures atomiques conduisent à des comportements de croissance différents des étapes A et B. La plupart des modèles théoriques indiquent que les atomes s'accumulent plus rapidement sur une marche de type B, mais la confirmation expérimentale a fait défaut.
"En raison des températures élevées et de l'atmosphère chimique en cause, il n'est pas possible d'examiner la croissance du nitrure de gallium avec un microscope électronique standard et de tester la prédiction du modèle, " a déclaré Stephenson. Pour cela, l'équipe a fait appel à l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne.
La très haute énergie des rayons X disponibles à l'APS avec un faisceau de quelques micromètres de large (ligne de faisceau 12-ID-D) a permis à l'équipe de suivre la vitesse de croissance du nitrure de gallium sur les marches de surface du cristal. Ces rayons X sont une sonde idéale car ils sont sensibles à la structure à l'échelle atomique et peuvent pénétrer l'environnement du cristal aux températures élevées impliquées, plus de 1400 degrés Fahrenheit, pendant qu'il grandit.
"Basé sur la modélisation, beaucoup avaient supposé que les atomes s'accumulaient probablement plus rapidement sur l'étape de type B, " a déclaré Stephenson. " Imaginez notre surprise lorsqu'il s'est avéré que c'était l'étape A. Cela suggère que la chimie du processus de croissance peut être plus compliquée qu'on ne le pensait auparavant. "
"Ce travail est un excellent exemple de l'importance et de la puissance de sonder un matériau alors qu'un processus est en cours, " a ajouté Matt Highland, physicien dans la division des sciences des rayons X. « Assez souvent, lorsque nous utilisons de telles sondes pour étudier des processus comme la synthèse, nous trouvons que l'histoire est plus complexe que nous ne le pensions à l'origine et contraire à la sagesse conventionnelle."
Les résultats ont des implications évidentes pour affiner la compréhension actuelle des mécanismes à l'échelle atomique de la croissance du nitrure de gallium. Cette compréhension a des implications pratiques importantes pour la conception de dispositifs avancés de nitrure de gallium en permettant un meilleur contrôle de la croissance et l'incorporation d'éléments supplémentaires pour des performances améliorées. Les résultats peuvent également être appliqués à la croissance de cristaux apparentés, y compris les matériaux semi-conducteurs hôtes pour la science de l'information quantique.
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Basic Energy Sciences. Il a été signalé dans Communication Nature , dans un article intitulé « La diffusion des rayons X de la surface du microfaisceau in situ révèle une cinétique d'étapes alternées pendant la croissance cristalline ». En plus de Stephenson et Highland, d'autres auteurs d'Argonne incluent Guangxu Ju, Dongwei Xu (maintenant à l'Université des sciences et technologies de Huazhong), Eastman et Peter Zapol. Les participants à l'université comprennent Carol Thompson (Northern Illinois University) et Weronika Walkosz (Lake Forest College).
