Los científicos y físicos de materiales de la Universidad de Lehigh han demostrado un nuevo método para fabricar cristales individuales que podría permitir el uso de una gama más amplia de materiales en microelectrónica, dispositivos de energía solar y otras aplicaciones de alta tecnología.
Los investigadores informaron su descubrimiento en Informes científicos , una revista Nature, en un artículo titulado "Demostración del crecimiento de un solo cristal mediante la transformación sólido-sólido de un vidrio".
El avance, dijeron los investigadores, abre el camino para que se puedan fabricar vidrios y otros materiales sólidos con estructuras atómicas desordenadas en forma de un solo cristal como es el silicio, el principal material semiconductor del mundo.
En forma de cristal único, los sólidos poseerían las propiedades superiores requeridas en aplicaciones de alta tecnología. Estas aplicaciones, según los investigadores, incluyen láseres y diodos emisores de luz LEDS, en los que las capas de crecimiento epitaxial de un extremo extremadamente delgado-las películas de cristal sobre un sustrato se utilizan para hacer dispositivos semiconductores.
Himanshu Jain, uno de los cuatro autores del artículo, cultiva cristales individuales de silicio a través de la fusión. Pero la fusión hace que muchos otros materiales altamente útiles se descompongan o cambien su descomposición y pierdan su utilidad.
"Los límites entre los diminutos cristales en los materiales policristalinos son enlaces débiles o malos y dan a los materiales propiedades indeseables", dijo Jain, el Presidente Distinguido TL Diamond en Ingeniería y Ciencias Aplicadas y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Lehigh.
"Un solo cristal, que no tiene límites, tiene propiedades superiores. Es más fuerte mecánicamente en ambientes corrosivos, es electrónicamente superior y transmite bien la luz".
El grupo de Jain utilizó una nueva estrategia de calentamiento para convertir el vidrio en un solo cristal sin que primero pase por una fase gaseosa o líquida y sin la creación de cristales o núcleos no deseados.
"En esta primera demostración inequívoca de una transformación de cristal [a] cristal en estado sólido, se evita la nucleación extraña ... mediante calentamiento por láser localizado espacialmente e inclusión de un formador de vidrio adecuado en la composición", escribió el grupo en Informes científicos .
El autor principal de la Informes científicos artículo, Dmytro Savytskii, es investigador científico en el departamento de ciencia e ingeniería de materiales en Lehigh. Los otros autores son Brian Knorr, profesor asistente de física en la Universidad Fairleigh Dickinson que recibió su doctorado en física de Lehigh en2014; y Volkmar Dierolf, distinguido profesor y presidente del departamento de física de Lehigh.
En un solo cristal, dijo Jain, todos los átomos de un material están dispuestos en una estructura de celosía 3D perfectamente ordenada. Para hacer un gran cristal único de silicio, los científicos toman una pequeña semilla de silicio monocristalino y la extraen desilicio derretido. Los átomos del silicio derretido se depositan en la semilla en una estructura reticular. Dependiendo de la velocidad a la que se extrae el cristal, un cristal de silicio pequeño o grande emerge a medida que el fundido se enfría.
El grupo de Jain desarrolló un método de contraste para hacer un solo cristal de un vidrio de calcogenuro de sulfuro de antimonio Sb2S3. Para inducir la formación de un cristal dentro del vidrio, el grupo usa un láser para calentar el vidrio desde la temperatura ambiente hasta untemperatura de cristalización muy por debajo de su punto de fusión. El mapeo de color por microscopía electrónica y difracción permite a los investigadores detectar la orientación de las configuraciones atómicas y probar la cristalinidad única en diferentes lugares de la muestra
La formación del cristal, observa Jain, ocurre cuando el vidrio sólido se calienta y no, como es el caso con el silicio, cuando su fusión se enfría. Esto se observa fácilmente en los rasguños que atraviesan el vidrio a través del cristal únicoformado por el láser. Cualquier fusión del vidrio suavizaría y eliminaría los rasguños.
"Una vez que hacemos la línea de un solo cristal", dijo Jain, "retrocedemos para obtener líneas paralelas de un solo cristal adicionales y, finalmente, una superficie de una sola capa de cristal en la parte superior del vidrio. Podemos unir estas líneas para convertir elsuperficie de vidrio entera en un solo cristal "
El objetivo del grupo, dijo Jain, es aplicar suficiente calor para que los átomos desorganizados en el vidrio se organicen en un solo cristal sin desencadenar la nucleación de cristales no deseados.
"Queremos que se forme un solo núcleo. Si obtenemos múltiples núcleos, terminamos con un material cerámico policristalino con propiedades no deseadas".
Para evitar la nucleación extraña, el grupo usa un láser enfocado para limitar el volumen de vidrio que se calienta y permite que se forme solo un núcleo. Ese núcleo se desarrolla rápidamente en un solo cristal.
"Mostramos que se puede evitar la nucleación adicional no deseada disminuyendo el volumen de la región calentada y haciendo crecer el cristal moviendo el rayo láser a una velocidad lo suficientemente rápida como para que no haya tiempo para formar cristales extraños", escribió el grupo en Informes científicos .
El grupo también ideó una segunda estrategia que se basa en un vaso de una composición prediseñada de antimonio, azufre y yodo Sb-SI. A medida que el cristal único comienza a formarse y crecer, el yodo sale del cristal hacia elvidrio vecino, donde actúa para suprimir la nucleación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad de Lehigh . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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