Совместное исследование, проведенное Лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Университетом Джорджа Вашингтона, привело к революционным открытиям, опубликованным в журнале Science в сентябре 2025 года. Ученые подтвердили, что атомы в полупроводниках способны к самоорганизации, формируя специфические локализованные структуры, известные как ближний порядок (SRO). Эти паттерны ближнего порядка оказывают существенное влияние на электронные характеристики материала.
Исследование было сосредоточено на сплавах германия и олова (GeSn), перспективном классе материалов для квантовых вычислений и оптоэлектроники. С помощью передовой 4D-сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (4D-STEM) ученые выявили четкие, повторяющиеся атомные расположения в образцах GeSn. Это стало первым прямым экспериментальным подтверждением существования SRO в полупроводниковых материалах. Для интерпретации наблюдаемых атомных структур команда сотрудничала с группой Тяньшу Ли в Университете Джорджа Вашингтона. Коллеги Ли разработали сложную модель машинного обучения, способную моделировать поведение миллионов атомов, что позволило исследователям точно сопоставить экспериментальные мотивы с конкретными атомными структурами, объединив моделирование и эксперимент для всестороннего понимания SRO в сплавах GeSn.
Эти открытия имеют значительные последствия для разработки будущих микроэлектронных устройств. Точный контроль над SRO позволяет ученым целенаправленно изменять электронные характеристики полупроводников. Такое достижение открывает путь к созданию более эффективных и специализированных электронных компонентов, знаменуя собой важный шаг к проектированию полупроводников на атомном уровне. Исследование потенциально может повлиять на широкий спектр технологий, включая квантовые материалы, нейроморфные вычисления и оптические детекторы.
Работа получила поддержку от Управления научных исследований Министерства энергетики США и Molecular Foundry, являющейся пользовательским центром Управления научных исследований Министерства энергетики. Результаты также были представлены на весеннем собрании и выставке MRS 2025 в Сиэтле, Вашингтон. Среди ключевых участников исследования — Анис Аттиауи, Джон Ленц, Лилиан Вогл, Джозеф К. Войчик, Джарод Мейер, Шунда Шен, Кунал Мукерджи, Тяньшу Ли, Эндрю Майнер и Пол Макинтайр. Лилиан Вогл, бывший постдок в Berkeley Lab, ныне возглавляет группу в Институте Макса Планка по устойчивым материалам. Тяньшу Ли является профессором гражданского и экологического строительства в Университете Джорджа Вашингтона.
Сплавы германия и олова (GeSn) демонстрируют большой потенциал для оптоэлектронных устройств, работающих в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. Включение олова в германий позволяет настраивать ширину запрещенной зоны, обеспечивая эффективное излучение и поглощение света в широком диапазоне длин волн. Совместимость этого материала с технологией КМОП дополнительно повышает его потенциал для интеграции в экономически эффективные, масштабируемые фотонные и электронные системы. Развитие машинного обучения в моделировании атомной структуры полупроводников, таких как аморфный кремний (a-Si) и аморфный углерод (a-C), открывает новые горизонты. Эти подходы позволяют точно аппроксимировать поверхность потенциальной энергии, что значительно ускоряет моделирование и дает более глубокое понимание сложной атомной структуры неупорядоченных полупроводников.