Een gezamenlijke onderzoeksinspanning van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en George Washington University heeft in september 2025 baanbrekende resultaten opgeleverd, gepubliceerd in het tijdschrift *Science*. De studie bevestigt dat atomen binnen halfgeleiders zich kunnen organiseren in specifieke lokale patronen, bekend als short-range order (SRO). Deze SRO-patronen blijken de elektronische eigenschappen van het materiaal aanzienlijk te beïnvloeden.
Het onderzoek richtte zich specifiek op germanium-tin (GeSn)-legeringen, een klasse van materialen met veelbelovende toepassingen in kwantumcomputing en opto-elektronica. Met behulp van geavanceerde 4D-scanning transmission electron microscopy (4D-STEM) observeerden de wetenschappers duidelijke, herhalende atomaire rangschikkingen in de GeSn-monsters. Dit leverde het eerste directe experimentele bewijs van SRO in halfgeleidermaterialen op. Om deze waargenomen atomaire patronen te interpreteren, werkte het team samen met de groep van Tianshu Li aan de George Washington University. Collega's van Li ontwikkelden een geavanceerd machine-learning model dat miljoenen atomen kan simuleren, waardoor de onderzoekers de experimentele motieven nauwkeurig konden koppelen aan specifieke atomaire structuren. Dit integreerde modellering en experimentatie voor een alomvattend begrip van SRO in GeSn-legeringen.
Deze ontdekkingen hebben aanzienlijke implicaties voor de ontwikkeling van toekomstige micro-elektronische apparaten. Door SRO nauwkeurig te beheersen, kunnen wetenschappers de elektronische kenmerken van halfgeleiders effectief op maat maken. Deze vooruitgang kan leiden tot de creatie van efficiëntere en gespecialiseerde elektronische componenten, wat een belangrijke stap vertegenwoordigt in de richting van halfgeleiderontwerp op atomair niveau. Het onderzoek heeft de potentie om een breed scala aan technologieën te beïnvloeden, waaronder kwantummaterialen, neuromorfische computing en optische detectoren.
De studie werd ondersteund door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy en de Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science. De bevindingen werden ook gepresenteerd op de 2025 MRS Spring Meeting & Exhibit in Seattle, Washington. Belangrijke personen die bij de studie betrokken waren, zijn Anis Attiaoui, John Lentz, Lilian Vogl, Joseph C. Woicik, Jarod Meyer, Shunda Shen, Kunal Mukherjee, Tianshu Li, Andrew Minor en Paul McIntyre. Lilian Vogl, die tijdens de studie postdoctoraal onderzoeker was bij Berkeley Lab, is nu groepshoofd bij het Max Planck Institute for Sustainable Materials. Tianshu Li is professor Civiele en Milieutechniek aan de George Washington University.
De ontwikkeling van geavanceerde halfgeleiders is een continu proces, waarbij nieuwe technieken zoals machine learning een steeds belangrijkere rol spelen in het modelleren en begrijpen van atomaire interacties. Onderzoekers zoals Andrew Minor van UC Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory, die gespecialiseerd is in geavanceerde elektronenmicroscopie, dragen bij aan het visualiseren van deze SRO-patronen. De precisie van deze technieken, zoals 4D-STEM, maakt het mogelijk om structuren op atomair niveau te ontrafelen die voorheen verborgen bleven. Verder onderzoek naar germanium-tin legeringen en vergelijkbare materialen, zoals die van Paul McIntyre aan Stanford, richt zich op het optimaliseren van interfaces en dunne films voor diverse elektronische en opto-elektronische toepassingen. De inzichten verkregen uit dit fundamentele onderzoek naar atomaire rangschikkingen openen deuren naar de creatie van materialen met op maat gemaakte eigenschappen, wat essentieel is voor de volgende generatie technologieën.