Le réglage fin de la composition des alliages de nitrure peut favoriser le développement de dispositifs d'interface optiques et électroniques.

Le contrôle des propriétés électroniques à l'interface entre les matériaux pourrait aider dans la quête d'améliorations de la mémoire informatique. Les chercheurs du KAUST montrent que la variation de la composition atomique des alliages à base de nitrure de bore permet de régler une propriété électronique importante connue sous le nom de polarisation.

Lorsqu'un champ électrique est appliqué à un seul atome, il éloigne le centre de masse du nuage d'électrons chargés négativement du noyau chargé positivement qu'il entoure. Dans un solide cristallin, ces soi-disant dipôles électriques de tous les atomes se combinent pour créer une polarisation électrique.

Certains matériaux présentent une polarisation spontanée, même sans champ électrique externe. De tels matériaux ont des utilisations potentielles dans la mémoire d'ordinateur, cependant, cette application nécessite un système matériel dont la polarisation est contrôlable. Étudiant invité Kaikai Liu, son superviseur Xiaohang Li et ses collègues ont étudié une approche de l'ingénierie de la polarisation à l'interface entre les alliages à base de nitrure de bore.

La polarisation spontanée dépend fortement de la structure et de la composition du cristal atomique. Certains matériaux, connu sous le nom de piézo-électrique, peut changer de polarisation lorsqu'il est physiquement déformé.

L'équipe KAUST a utilisé un logiciel appelé Vienna ab initio Simulation Package pour étudier les propriétés électroniques des alliages ternaires de nitrure de bore et d'aluminium et de nitrure de bore et de gallium. Ils ont examiné comment ils changent lorsque le bore remplace les atomes d'aluminium et de gallium, respectivement. "Nous avons calculé la polarisation spontanée et les constantes piézoélectriques des alliages de nitrure de bore dans un cadre théorique nouvellement proposé et l'impact de la polarisation aux jonctions de ces deux matériaux, " dit Liu.

L'équipe a montré que la polarisation spontanée change de manière très non linéaire avec l'augmentation de la teneur en bore; cela contredit les études précédentes qui supposent une relation linéaire.

La raison de cette non-linéarité est attribuée à la déformation volumique de la structure atomique inhabituelle de l'alliage, connu sous le nom de wurtzite. Le changement non linéaire de la polarisation piézoélectrique est moins prononcé, mais évident. Cela est dû à la grande différence d'espacement atomique entre le nitrure de bore et à la fois le nitrure d'aluminium et le nitrure de gallium. Par ailleurs, le nitrure de bore et d'aluminium ou le nitrure de bore et de gallium peuvent devenir non piézoélectriques lorsque la teneur en bore est supérieure à 87 % et 74 %, respectivement.

Ce travail montre qu'une large gamme de constantes de polarisation spontanées et piézoélectriques pourrait être rendue disponible simplement en changeant la teneur en bore. Cela pourrait être utile pour développer des dispositifs de jonction optiques et électroniques formés à l'interface entre les semi-conducteurs de nitrure conventionnels et le nitrure de bore et d'aluminium ou le nitrure de bore et de gallium.

"Notre prochaine étape sera de tester expérimentalement les jonctions proposées, ce que notre théorie prédit pourrait avoir des performances de dispositif bien meilleures que les approches actuelles, " dit Liu.