Eerste Wurtzite-gestructureerde Mgsin₂ dunne film ontgrendelt veelbelovende elektronische eigenschappen

Wurtzite-gestructureerde kristallen, gekenmerkt door hun hexagonale symmetrie, worden algemeen gewaardeerd vanwege hun unieke elektronische en piëzo-elektrische eigenschappen-hun vermogen om een ​​elektrische lading te genereren wanneer ze worden onderworpen aan mechanische stress. Onder deze zijn galliumnitride (GAN), een belangrijk materiaal in blauwe lichtemitterende diodes en aluminiumnitride (ALN), gebruikt in hoogfrequente radiofrequentie (RF) -filters in smartphones, prominente voorbeelden. Deze materialen spelen een cruciale rol bij geavanceerde halfgeleiders, sensoren en actuatoren.

Wetenschappers van het Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, hebben een belangrijke doorbraak gebracht in het uitbreiden van de wurtzietstructuur met heteroverende ternaire nitriden, met name voor potentiële piëzo -elektrische en ferro -elektrische toepassingen. Hun papierdie op 6 februari 2025 beschikbaar werd gesteld Geavanceerde elektronische materialenbeschrijft de fabricage van de allereerste magnesium siliciumnitride (mgsin₂) Heterovalent nitride in een wurtzietstructuur met piëzo -elektrische eigenschappen.

This pioneering study was led by Professor Hiroshi Funakubo from MDX Research Center for Element Strategy, Science Tokyo, in collaboration with Mr. Sotaro Kageyama, a second-year Master’s student, Assistant Professor Kazuki Okamoto, and Professor Hiroko Yokota from the School of Materials Science and Engineering, Science Tokyo. Het onderzoeksteam omvatte ook professor Venkatraman Gopalan van Pennsylvania State University, universitair hoofddocent Yoshiomi Hiranaga van de Universiteit van Tohoku, professor Hiroshi Uchida van Sophia University en anderen.

Wurtzite -structuren, zoals ALN en GAN, zijn meestal gemaakt van drievoudige kationen. Deze materialen staan ​​echter voor uitdagingen als gevolg van hoge dwangmatige elektrische velden – de energie die nodig is om polarisatie te wisselen voor piëzo -elektrische lading generatie en ferro -elektrische eigenschappen.

Het opnemen van heteroverende kationen met valenties van II/IV verandert de structurele stijfheid als gevolg van verschillen in kationstralen. Van deze wijziging is aangetoond dat het polarisatie vergemakkelijkt en het dwangveld verlagen. Om dit effect te verkennen, selecteerden de onderzoekers de heterovalent ternaire nitride mgsin₂samengesteld uit Mg²⁺ en Si⁴⁺.

Mgsin₂ kristalliseert meestal in de orthorhombische β-NaFeo₂-structuur. Het onderzoeksteam heeft het echter met succes gestabiliseerd in een wurtzietfase met behulp van reactieve RF-magnetronsputtering van MG en Si-ionen bij 600 ° C in een stikstofrijke atmosfeer. Deze structurele transformatie introduceerde een willekeurige kationische ordening.

“De mogelijkheid om Mgsin₂ in een nieuwe wurtzietfase te synthetiseren is een belangrijke vooruitgang op het gebied van piëzo -elektrische materialen”, legt Funakubo uit. “Onze bevindingen kunnen nieuwe wegen openen voor het ontwikkelen van krachtige materialen met op maat gemaakte elektronische eigenschappen.”

De resultaten bevestigden de piëzo-elektrische aard van wurtzite-mgsin₂ met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken, waaronder röntgendiffractie, transmissie-elektronenmicroscopie en piezoresponse-krachtmicroscopie.

Het gefabriceerde materiaal vertoonde een omgekeerde piëzo -elektrische coëfficiënt (d₃₃_,F = 2.3 pm/v) vergelijkbaar met die van conventionele eenvoudige nitriden, wat duidt op het vermogen om mechanische spanning effectief om te zetten in elektrische lading. Deze doorbraak creëert potentiële toepassingen in ultrasone transducers, nano -elektromechanische systemen en energie -oogsters.

De piëzo -elektrische mgsin₂ vertoonde een brede bandgap van ongeveer 5,9 eV (direct) en 5,1 eV (indirect), vergelijkbaar met traditionele piëzo -elektrische wurtziet Aln. Dit suggereert dat het materiaal uitstekende isolatie biedt door de elektronenbeweging tussen de valentieband (waar elektronen gebonden zijn aan atomen) en de geleidingsband (waarbij elektronen vrij zijn om te bewegen en elektriciteit te leiden).

Een bredere bandgap duidt op een sterke weerstand tegen elektrische geleiding onder normale omstandigheden, wat de duurzaamheid en stabiliteit van het materiaal bevestigt. Deze eigenschappen maken MGSIN₂ een veelbelovende kandidaat voor elektronica van de volgende generatie.

“Ons onderzoek legt de basis voor verdere verkenning van heteroverende ternaire nitriden met piëzo-elektrische eigenschappen. Het verfijnen van de depositieparameters zou kunnen leiden tot grotere verbeteringen in polarisatieomschakeling en de ferro-elektrische eigenschappen van het materiaal verder valideren,” concludeert Funakubo.

Terwijl de onderzoekers nieuwe materiaalfasen blijven onderzoeken voor piëzo-elektrische toepassingen, komt de met wurtziet gestructureerde MGSIN₂ naar voren als een veelbelovende kandidaat voor piëzo-elektrische en ferro-elektrische technologieën van de volgende generatie, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor vooruitgang in elektronische materialen.