(PhysOrg.com) -- L'appareil photo de votre téléphone collecte la lumière sur le silicium et traduit ces informations en bits numériques. L'une des raisons pour lesquelles ces appareils photo et téléphones continuent de s'améliorer est que les chercheurs développent de nouveaux matériaux qui absorbent plus de lumière, utiliser moins d'énergie, et sont moins chers à produire.
Maintenant, Des chercheurs en science et ingénierie des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont introduit des innovations qui pourraient rendre possible une large gamme de nouveaux matériaux cristallins. Écrit dans le numéro Web du 8 juin de la revue American Chemical Society ACS Nano , Les assistants de recherche Deborah Paskiewicz et Boy Tanto ainsi que le scientifique Donald Savage et le professeur Erwin W. Mueller et le professeur Bascom de science des surfaces Max Lagally, décrivent une nouvelle approche pour l'utilisation de feuilles minces de semi-conducteurs appelées nanomembranes.
L'étirement contrôlé de ces membranes par épitaxie permet à l'équipe de fabriquer des nanomembranes de silicium-germanium entièrement relâchées élastiquement à utiliser comme substrats de croissance pour de nouveaux matériaux. L'équipe a développé des couches de germanium de silicium sans défaut avec n'importe quelle concentration de germanium souhaitée sur des substrats de silicium, puis a libéré les couches de germanium de silicium du silicium rigide, leur permettant de se détendre complètement en tant que nanomatériaux autonomes. Le film de silicium-germanium est ensuite transféré vers un nouvel hôte et y est lié. A partir de cette étape, un cristal de silicium germanium en vrac sans défaut peut être développé (ce qui n'est pas possible avec la technologie actuelle), ou la membrane de silicium-germanium peut être utilisée comme substrat unique pour faire croître d'autres matériaux.
Epitaxie, croissance qui contrôle l'arrangement des atomes en couches minces sur un substrat, est la technologie fondamentale qui sous-tend l'utilisation de ces nouveaux matériaux par l'industrie des semi-conducteurs. En combinant des éléments, les chercheurs peuvent cultiver des matériaux aux propriétés uniques qui rendent possibles de nouveaux types de capteurs ou à grande vitesse, batterie faible, électronique de pointe efficace. C'est la capacité de les faire croître sans défauts préjudiciables qui rend ces alliages utiles à l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, la fabrication de cristaux de haute qualité qui combinent deux éléments ou plus se heurte à des limitations importantes qui ont contrarié les chercheurs pendant des décennies.
« De nombreux matériaux composés de plusieurs éléments ne peuvent tout simplement pas être utilisés. Les distances entre les atomes ne sont pas les mêmes, », dit Lagally. "Quand on commence à faire pousser une telle couche, les atomes commencent à interférer les uns avec les autres et très vite, le matériau ne peut plus se développer comme un seul cristal car il commence à avoir des défauts. Finalement, il se brise en petits cristaux et devient polycristallin, ou même des fissures.
En plus de son utilisation dans l'industrie des semi-conducteurs, le silicium-germanium est important pour le domaine naissant de l'informatique quantique. Un ordinateur quantique utilise directement des phénomènes de mécanique quantique tels que la superposition et l'intrication pour effectuer des calculs. Les ordinateurs actuels sont limités à deux états; allumé et éteint, ou zéro et un. Avec superposition, les ordinateurs quantiques codent les informations sous forme de bits quantiques. Ces bits représentent les états variables et le fonctionnement interne des atomes et des électrons. En manipulant ces multiples états simultanément, un ordinateur quantique à grande échelle, s'il peut être construit, pourrait être des millions de fois plus puissant que le supercalculateur classique le plus puissant d'aujourd'hui.
Le professeur de physique UW-Madison, Mark Eriksson, utilise du silicium-germanium pour fabriquer des gaz d'électrons bidimensionnels. "Un "gaz d'électrons bidimensionnel" est une couche d'un semi-conducteur dans laquelle les charges sont capables de se déplacer librement sur de grandes distances, en analogie avec les atomes dans un gaz réel, sauf confiné à une couche mince et donc bidimensionnel. Pour l'informatique quantique, ce gaz d'électrons 2-D est formé dans une couche de silicium contraint développée sur un substrat de silicium-germanium. Des électrodes placées au-dessus d'une structure contenant le gaz d'électrons 2-D dans la couche de silicium contraint permettent de déplacer et de contrôler des électrons uniques, transformer les régions du puits quantique en « seaux à électrons », ' si vous voulez, qui sont définis par les champs électriques des électrodes supérieures, " dit Lagally.
Un obstacle majeur au développement d'un ordinateur quantique est la création de plusieurs seaux quantiques aussi similaires que possible. Pour progresser rapidement, les chercheurs ont besoin de matériaux cohérents et à faible défaut.
« Avec les substrats de silicium-germanium que nous utilisons, les champs électrostatiques peuvent être assez incertains à cause des défauts du substrat, », dit Lagally. « Nous pensons que notre nouveau processus peut résoudre ce problème. Parce que le matériau du substrat est uniforme, sans défauts, cela devrait apporter plus de prévisibilité et de contrôle aux efforts de Mark.
Au-delà du silicium germanium, Lagally dit que le processus devrait fonctionner pour une large gamme de matériaux exotiques qui ne peuvent pas être cultivés en vrac mais qui ont des propriétés intéressantes. Le professeur agrégé en science et génie des matériaux Paul Evans développe de nouvelles façons de sonder et d'appliquer ces matériaux.
« Les substrats minces sans défaut qui peuvent être produits en transférant et en relaxant ces couches présentent des opportunités intéressantes dans la croissance de matériaux au-delà du silicium et d'autres semi-conducteurs traditionnels, ", dit Evans. « Avec cette approche, il sera possible de produire des substrats sans défaut de matériaux pour lesquels il n'existe pas de matériaux massifs de haute qualité cristalline. Dans les oxydes complexes, cela peut conduire à des substrats minces qui stabilisent des phases ferroélectriques ou diélectriques spécifiques. Cela pourrait conduire à de meilleurs oscillateurs, capteurs et dispositifs optiques, qui sont importants pour les téléphones portables, caméras et ordinateurs que nous utilisons tous les jours.
