Les scientifiques des matériaux cherchent souvent à modifier les propriétés physiques d'un matériau en ajoutant une certaine proportion d'un élément supplémentaire; cependant, il n'est pas toujours possible d'incorporer la quantité souhaitée dans la structure cristalline du matériau. A la TU Vienne, une nouvelle méthode a été mise au point pour produire des mélanges auparavant inaccessibles de germanium et d'autres atomes. Il en résulte de nouveaux matériaux aux propriétés considérablement modifiées.

"Incorporer des atomes étrangers dans un cristal de manière ciblée pour améliorer ses propriétés est en fait une méthode standard, " explique Sven Barth de l'Institute of Materials Chemistry de la TU Wien. L'électronique moderne est basée sur des semi-conducteurs avec certains additifs. Les cristaux de silicium incorporés avec du phosphore ou du bore en sont un exemple.

Les chercheurs ont rencontré des difficultés à incorporer le germanium avec d'autres atomes. Faire fondre les deux éléments et les mélanger intimement sous forme liquide puis les laisser se solidifier ne fonctionne pas dans ce cas. "Cette méthode thermodynamique simple échoue, parce que les atomes ajoutés ne se mélangent pas efficacement dans le système de réseau du cristal, " explique Sven Barth. " Plus la température est élevée, plus les atomes se déplacent à l'intérieur du matériau. Cela peut entraîner la précipitation de ces atomes étrangers hors du cristal après leur incorporation réussie, laissant une très faible concentration de ces atomes dans le cristal."

L'équipe de Barth a donc développé une nouvelle approche qui associe une croissance cristalline particulièrement rapide à des températures de procédé très basses. Dans le processus, la quantité correcte d'atomes étrangers est continuellement incorporée au fur et à mesure que le cristal grandit. Les cristaux se développent sous forme de fils ou de tiges nanométriques à des températures considérablement plus basses qu'auparavant, dans la plage de seulement 140 à 230 degrés C. "En conséquence, les atomes incorporés sont moins mobiles, les processus de diffusion sont lents, et la plupart des atomes restent là où vous voulez qu'ils soient, " explique Barth.

En utilisant cette méthode, il a été possible d'incorporer jusqu'à 28 pour cent d'étain et 3,5 pour cent de gallium dans du germanium. C'est considérablement plus que ce qui était possible auparavant au moyen de la combinaison thermodynamique conventionnelle de ces matériaux d'un facteur de 30 à 50.

Cela ouvre de nouvelles possibilités pour la microélectronique :« Le germanium peut être combiné efficacement avec la technologie silicium existante, et aussi l'ajout d'étain et/ou de gallium à des concentrations aussi élevées offre des applications potentielles extrêmement intéressantes en termes d'optoélectronique, " précise Sven Barth. Les matériaux seraient utilisés pour les lasers infrarouges, pour les photodétecteurs ou pour les LED innovantes dans la gamme infrarouge, par exemple, puisque les propriétés physiques du germanium sont considérablement modifiées par ces additifs.