Une équipe multi-institutionnelle dirigée par le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du département américain de l'Énergie a découvert un moyen de créer de nouveaux alliages qui pourraient constituer la base des semi-conducteurs de nouvelle génération.

Des alliages de semi-conducteurs existent déjà - souvent fabriqués à partir d'une combinaison de matériaux avec des arrangements atomiques similaires - mais jusqu'à présent, les chercheurs pensaient qu'il était irréaliste de fabriquer des alliages de certains constituants.

"Peut-être que dans le passé, les scientifiques ont examiné deux matériaux et ont dit que je ne pouvais pas mélanger les deux. Ce que nous disons, c'est détrompez-vous, " dit Aaron Holder, un ancien chercheur post-doctoral du NREL et maintenant professeur à l'Université du Colorado Boulder. Holder est l'auteur correspondant d'un nouvel article dans Avancées scientifiques intitulé Nouveau comportement de diagramme de phase et conception de matériaux dans les alliages semi-conducteurs hétérostructuraux. "Il y a un moyen de le faire."

Des scientifiques connectés au Center for Next Generation of Materials by Design (CNGMD) ont fait la percée et ont fait passer l'idée de la théorie à la réalité. Un centre de recherche Energy Frontier, qui est soutenu par l'Office of Science du Département de l'énergie et des chercheurs du NREL, l'école des mines du Colorado, Université de Harvard, Laboratoire national Lawrence Berkeley, Massachusetts Institute of Technology, Université d'État de l'Oregon, et SLAC National Accelerator Laboratory.

"C'est un très bel exemple de ce qui se passe lorsque vous réunissez différentes institutions avec des capacités différentes, " a déclaré Holder. Ses co-auteurs de NREL sont Stephan Lany, Sébastien Siol, Paul Ndione, Haowei Peng, Guillaume Tumas, John Perkins, David Ginley, et Andriy Zakutayev.

Un décalage entre les arrangements atomiques avait auparavant contrecarré la création de certains alliages. Les chercheurs du CNGMD ont pu créer un alliage d'oxyde de manganèse (MnO) et d'oxyde de zinc (ZnO), même si leurs structures atomiques sont très différentes. Le nouvel alliage absorbera une fraction importante de la lumière naturelle du soleil, bien que séparément ni MnO ni ZnO ne le puissent. "C'est une recherche très enrichissante quand on travaille en équipe, prédire un matériau par calcul, et le faire se produire dans le laboratoire, " dit Lany.

En utilisant la chaleur, le mélange d'un petit pourcentage de MnO avec ZnO est déjà possible, mais atteindre un mélange 1:1 nécessiterait des températures bien supérieures à 1, 000 degrés Celsius (1, 832 degrés Fahrenheit), et les matériaux se sépareraient à nouveau en refroidissant.

Les scientifiques, qui a également créé un alliage de sulfure d'étain et de sulfure de calcium, déposé ces alliages sous forme de couches minces par dépôt laser pulsé et pulvérisation cathodique magnétron. Aucune des deux méthodes n'exigeait des températures aussi élevées. "Nous montrons que les méthodes commerciales de dépôt de couches minces peuvent être utilisées pour fabriquer des alliages hétérostructuraux, ouvrant la voie à leur utilisation dans des applications semi-conductrices du monde réel, ", a déclaré le co-auteur Zakoutaïev.

La recherche a donné un premier aperçu du diagramme de phase pour les alliages hétérostructuraux, révélant une voie prédictive pour les propriétés d'autres alliages ainsi qu'une vaste zone de métastabilité qui maintient les éléments combinés. "L'alliage persiste dans tout cet espace même si thermodynamiquement il devrait se séparer et se décomposer, " dit Titulaire.