Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Osaka, o Instituto de Física de Alta Pressão e o Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências (Rússia), e TU Dresden (Alemanha), descobriu um método eficaz para remover defeitos de rede de cristais. Os resultados da pesquisa foram publicados no Journal of Physics:Materials.

Boro, um semicondutor, tem uma variedade de estruturas cristalinas, mas todos eles têm grandes quantidades de defeitos de rede que prejudicam o estado de ordem cristalina. Neste estudo, a equipe obteve uma fase ordenada de boro pela adição de hidrogênio (hidrogenação) em altas temperaturas e por desidrogenação por recozimento em baixa temperatura. Esse novo método é o resultado teórico dos grupos de pesquisa no Japão e na Alemanha de um fenômeno que os grupos russos descobriram em experimentos.

Defeitos de rede presentes em todos os materiais influenciam muitas de suas propriedades elétricas. O uso adequado de defeitos cristalinos é útil nas aplicações eletrônicas de semicondutores. A condutividade elétrica dos semicondutores pode ser aumentada por dopagem para produzir semicondutores do tipo n (negativo) ou do tipo p (positivo). Este controle de defeitos de rede é chamado de "controle de elétrons de valência" e é obtido colocando dopantes (impurezas) nos sítios do átomo. Contudo, átomos de impureza que ocupam os sítios intersticiais não são úteis no controle de elétrons de valência.

Em um cristal de boro, muitos átomos estão dispostos aleatoriamente nos sítios intersticiais (Figura 1 (a)). Além disso, sua estrutura cristalina era muito difícil para os átomos intersticiais alcançarem os locais desejáveis. Para tornar os cristais de boro excelentes materiais semicondutores, é necessário reorganizar átomos de boro distribuídos aleatoriamente em uma estrutura ordenada.

Assim, esta equipe criou um cristal de boro α-tetragonal (α-T) em alta temperatura e pressão, com uma grande quantidade de hidrogênio como dopante. As amostras obtidas apresentavam muitos defeitos. Conforme mostrado na Figura 1 (a), enquanto o B ₁₂ aglomerados de boro icosaédricos (cinza) são ordenados, átomos de boro (vermelho) e átomos de hidrogênio nos locais intersticiais são arranjados aleatoriamente (átomos de hidrogênio são omitidos na figura). Mais tarde, ao recuperar as amostras às condições ambientais e recozê-las a temperaturas moderadas, a remoção dos átomos de hidrogênio e o ordenamento dos átomos de boro intersticiais ocorreram simultaneamente (Figura 1 (b)). Isso indica que o arranjo aleatório de átomos intersticiais se torna uma estrutura ordenada. Esta é a primeira vez que um cristal de boro ordenado com uma grande célula unitária (uma célula unitária contendo mais de 50 átomos de boro) foi obtido.

Geralmente, um cristal assume uma estrutura mais ordenada em baixas temperaturas. Usualmente, a cristalização ocorre em altas temperaturas, que induzem muitos defeitos, e esses defeitos são solidificados em baixas temperaturas. Contudo, quando átomos de hidrogênio voláteis são incorporados de antemão, eles são facilmente liberados por recozimento. Após a liberação de hidratação, a migração de átomos é induzida, alcançar o ordenamento dos átomos de boro. Essa transição é uma espécie de "fenômeno cooperativo" entre duas mudanças diferentes:a difusão do hidrogênio e a ordenação dos átomos hospedeiros.

O professor associado Shirai da Universidade de Osaka diz:"Além do boro, nosso método de remoção de defeitos também pode ser aplicado a materiais à base de carbono, como o fulereno, que são muito duros e têm um alto ponto de fusão. Porque a remoção de defeitos desses materiais duros é difícil, nossa receita será um método eficiente de remoção de defeitos de outros materiais semicondutores também. "