«Это первый случай, когда кто-либо получил прямое изображение отдельных атомов легирующей примеси, движущихся внутри материала», — сказал Рохан Мишра из Университета Вандербильта, который также является приглашенным ученым в отделе материаловедения и технологий ORNL.Полупроводники, составляющие основу современной электроники, «легируют» путем добавления небольшого количества примесных атомов для настройки их свойств для конкретных приложений. Изучение атомов примеси и того, как они движутся или «диффундируют» внутри решетки-хозяина, является фундаментальной проблемой в исследованиях материалов.
Традиционно диффузия атомов изучалась косвенными макроскопическими методами или теоретическими расчетами. Ранее диффузия одиночных атомов непосредственно наблюдалась только на поверхности материалов.Эксперимент также позволил исследователям проверить удивительное предсказание: теоретические расчеты движения примеси в нитриде алюминия предсказали более быструю диффузию для атомов церия, чем для атомов марганца. Это предсказание удивительно, поскольку атомы церия больше, чем атомы марганца.
«Совершенно нелогично, что более крупный и тяжелый атом двигался бы быстрее, чем более легкий и меньший атом», — сказал Эндрю Лупини из отдела материаловедения и технологий, соавтор статьи.В ходе исследования исследователи использовали растровый просвечивающий электронный микроскоп для наблюдения за процессами диффузии атомов церия и марганца. Сделанные ими изображения показали, что более крупные атомы церия легко диффундируют через материал, в то время как более мелкие атомы марганца остаются на месте.
Работа команды может быть напрямую применена к проектированию основных материалов и технологий, таких как энергосберегающие светодиодные лампы, где легирующие примеси могут влиять на цвет, а движение атомов может определять режимы отказа.«Диффузия определяет, как примеси попадают внутрь материала и как они перемещаются», — сказал Лупини. «Наше исследование дает стратегию выбора легирующих добавок, которые продлят срок службы устройства».Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США, Австралийским исследовательским советом, Университетом Вандербильта и Японским обществом содействия научным постдокторантам для исследований за рубежом.
Среди авторов проекта Рио Исикава из Окриджской национальной лаборатории и Токийского университета; Скотт Финдли из Университета Монаша; Такаши Танигучи из Национального института материаловедения; Сократ Пантелидес из Окриджской национальной лаборатории и Университета Вандербильта; и Стивен Пенникук из Университета Теннесси.