Esquema de espalhamento de raios-X de superfície de micro feixe durante o crescimento de cristal de nitreto de gálio em alta temperatura. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne.
Com cores brilhantes e formas pitorescas, muitos cristais são maravilhas da natureza. Alguns cristais também são maravilhas da ciência, com aplicações transformadoras em eletrônica e óptica. Compreender a melhor forma de cultivar esses cristais é a chave para avanços futuros.
Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), junto com três universidades, revelaram novos insights sobre o mecanismo por trás de como os cristais de nitreto de gálio crescem em escala atômica.
Cristais de nitreto de gálio já são amplamente utilizados em diodos emissores de luz, mais conhecido como LEDs. Eles também podem ser aplicados para formar transistores para componentes eletrônicos de comutação de alta potência para tornar as redes elétricas mais eficientes em termos de energia e mais inteligentes. O uso de tais "redes inteligentes, "o que poderia equilibrar melhor a alta potência dentro do sistema geral, pode evitar que as pessoas percam a energia em fortes tempestades.
"Este trabalho é um grande exemplo da importância e do poder de sondar um material enquanto um processo está em andamento. Muitas vezes, quando usamos essas sondas para estudar processos como a síntese, achamos que a história é mais complexa do que pensávamos originalmente e contrária à sabedoria convencional. "- Matt Highland, Divisão de Ciências de Raios-X, Laboratório Nacional de Argonne
A mesma tecnologia também pode tornar as residências individuais mais eficientes em termos de energia. E poderia encontrar uso em comunicações ópticas, onde os lasers transmitem informações. Essa transferência de informações pode ser mais precisa, mais rápido e seguro do que os recursos atuais.
Por causa dessas diversas aplicações, cientistas em todo o mundo têm trabalhado para melhorar o processo de cultivo de cristais de nitreto de gálio.
"O nitreto de gálio tem uma estrutura cristalina mais complicada do que o silício, o material cristalino típico em eletrônica, "disse G. Brian Stephenson, um distinto companheiro Argonne na divisão de Ciência de Materiais. "Quando você cultiva este cristal, assim, você obtém um comportamento mais fascinante na superfície. "
Esquema das estruturas superficiais que se formam durante os processos de crescimento do nitreto de gálio (evaporação e deposição). As etapas nas bordas de cada camada atômica têm estruturas alternadas (A ou B). Crédito:Laboratório Nacional de Argonne.
Na escala atômica, uma superfície crescente de cristal de nitreto de gálio normalmente se parece com uma escada de degraus, onde cada escada é uma camada da estrutura de cristal. Os átomos são adicionados a uma superfície de cristal em crescimento por fixação nas bordas das etapas. Por causa da estrutura de cristal de nitreto de gálio, as etapas têm estruturas de borda alternadas, rotulados A e B. As diferentes estruturas atômicas levam a diferentes comportamentos de crescimento das etapas A e B. A maioria dos modelos teóricos indica que os átomos se acumulam mais rápido em uma etapa do tipo B, mas faltou confirmação experimental.
"Por causa das altas temperaturas e da atmosfera química envolvida, não é possível examinar o crescimento de nitreto de gálio com um microscópio eletrônico padrão e testar a previsão do modelo, "Stephenson disse. Para isso, a equipe chamou a Advanced Photon Source (APS), um DOE Office of Science User Facility em Argonne.
A altíssima energia dos raios-X disponíveis no APS com um feixe de apenas alguns micrômetros de largura (linha de luz 12-ID-D) permitiu que a equipe monitorasse a taxa de crescimento do nitreto de gálio nas etapas da superfície do cristal. Esses raios X são uma sonda ideal, pois são sensíveis à estrutura em escala atômica e podem penetrar no ambiente do cristal nas altas temperaturas envolvidas, acima de 1400 graus Fahrenheit, enquanto está crescendo.
"Com base na modelagem, muitos presumiram que os átomos provavelmente se acumulam mais rápido na etapa do tipo B, Stephenson disse. "Imagine nossa surpresa quando acabou sendo o passo A. Isso sugere que a química do processo de crescimento pode ser mais complicada do que se pensava."
"Este trabalho é um grande exemplo da importância e poder de sondar um material enquanto um processo está em andamento, "adicionou Matt Highland, físico da divisão de Ciências de Raios-X. "Muitas vezes, quando usamos essas sondas para estudar processos como a síntese, achamos que a história é mais complexa do que pensávamos originalmente e contrária à sabedoria convencional. "
Os resultados têm implicações óbvias para refinar a compreensão atual dos mecanismos de escala atômica do crescimento do nitreto de gálio. Esse entendimento tem implicações práticas importantes para o projeto de dispositivos avançados de nitreto de gálio, permitindo melhor controle do crescimento e incorporação de elementos adicionais para melhor desempenho. As descobertas também podem ser aplicadas ao crescimento de cristais relacionados, incluindo materiais semicondutores hospedeiros para a ciência da informação quântica.
Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Office of Basic Energy Sciences. Foi relatado em Nature Communications , em um artigo intitulado "Espalhamento de raios-X de superfície de micro feixe in situ revela cinética de etapa alternada durante o crescimento do cristal." Além de Stephenson e Highland, outros autores de Argonne incluem Guangxu Ju, Dongwei Xu (agora na Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia), Eastman e Peter Zapol. Os participantes da universidade incluem Carol Thompson (Northern Illinois University) e Weronika Walkosz (Lake Forest College).
