Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der George Washington University haben in einer im September 2025 im Journal *Science* veröffentlichten Studie bahnbrechende Erkenntnisse über Halbleitermaterialien gewonnen. Sie entdeckten, dass Atome in Halbleitern spontan lokalisierte Muster bilden können, die als Short-Range Order (SRO) bezeichnet werden. Diese atomaren Anordnungen beeinflussen maßgeblich die elektronischen Eigenschaften des Materials.
Die Untersuchung konzentrierte sich auf Germanium-Zinn (GeSn)-Legierungen, ein Material, das für seine potenziellen Anwendungen in Quantencomputing und Optoelektronik von großem Interesse ist. Mithilfe hochentwickelter 4D-Scanning-Transmissionselektronenmikroskopie (4D-STEM) konnten die Wissenschaftler erstmals direkte experimentelle Beweise für SRO in Halbleitermaterialien liefern und klare, sich wiederholende atomare Strukturen in GeSn-Proben visualisieren. Die 4D-STEM-Technologie ermöglicht detaillierte Einblicke in nanoskalige Strukturen und elektrostatische Eigenschaften von Materialien.
Zur Interpretation der beobachteten atomaren Konfigurationen entwickelte das Team ein ausgeklügeltes maschinelles Lernmodell, das in der Lage ist, Millionen von Atomen zu simulieren. Dieser Ansatz ermöglichte es den Forschern, experimentelle Muster präzise spezifischen atomaren Strukturen zuzuordnen und so Modellierung und Experimentation für ein tiefgreifendes Verständnis von SRO in GeSn-Legierungen zu vereinen. Maschinelles Lernen spielt eine zunehmend wichtige Rolle in der Halbleiterphysik, indem es die Analyse komplexer Datensätze beschleunigt und die Vorhersage von Materialeigenschaften verbessert.
Diese Entdeckungen sind von immenser Bedeutung für die Entwicklung zukünftiger mikroelektronischer Bauteile. Durch die präzise Steuerung von SRO können Wissenschaftler die elektronischen Charakteristika von Halbleitern gezielt maßschneidern. Dies ebnet den Weg für die Schaffung effizienterer und spezialisierterer elektronischer Komponenten und stellt einen bedeutenden Fortschritt in Richtung eines Designs von Halbleitern auf atomarer Ebene dar. Die Forschung hat das Potenzial, eine breite Palette von Technologien zu beeinflussen, darunter Quantenmaterialien, neuromorphes Computing und optische Detektoren.
Zu den Schlüsselpersonen, die an dieser Studie beteiligt waren, gehören Anis Attiaoui, John Lentz, Lilian Vogl, Joseph C. Woicik, Jarod Meyer, Shunda Shen, Kunal Mukherjee, Tianshu Li, Andrew Minor und Paul McIntyre. Lilian Vogl leitet nun eine Gruppe am Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien, während Tianshu Li Professorin an der George Washington University ist. Die Forschung wurde durch das Office of Science des US-Energieministeriums und die Molecular Foundry gefördert. Die Ergebnisse wurden auch auf der MRS Spring Meeting & Exhibit 2025 in Seattle, Washington, vorgestellt.