Ein Forschungsteam unter der Leitung des Lawrence Berkeley National Laboratory und der George Washington University veröffentlichte eine neue Studie in der Fachzeitschrift Science. Sie bestätigt, dass Atome in Halbleitern in einem einzigartigen lokalen Muster angeordnet sein können, der sogenannten Nahordnung (SRO). Diese Entdeckung wird das elektronische Verhalten des Materials verändern.

Halbleiter bestehen typischerweise aus einem Hauptelement, dem geringe Mengen anderer Elemente zugesetzt werden. Obwohl diese Spurenzusätze nicht ausreichen, um ein globales, sich wiederholendes Muster zu bilden, war ihre lokale Anordnung unklar. Das Forschungsteam verwendete eine Elektronenmikroskoptechnik namens 4D-STEM in Kombination mit einem Energiefiltergerät, um erstmals das atomare Anordnungsmuster in Germaniumproben mit geringen Mengen Zinn und Silizium deutlich zu beobachten. Die Studie zeigte, dass diese Atome nicht zufällig verteilt sind, sondern bevorzugte Sortierungseigenschaften aufweisen und eine kurzreichweitig geordnete Struktur bilden. Lillian Vogel, die Erstautorin des Artikels, sagte, die ersten Ergebnisse seien verwirrend und es sei schwierig gewesen, die Signale zu unterscheiden. Nach der Installation des Energiefiltergeräts trat das sich wiederholende Muster jedoch allmählich hervor.

Zur Überprüfung ihrer Ergebnisse verwendete das Forschungsteam ein vortrainiertes neuronales Netzwerk zur Klassifizierung von Beugungsbildern und identifizierte sechs sich wiederholende Muster, die spezifische atomare Anordnungen im Probenmaterial darstellen. Anschließend arbeiteten sie mit einem Team der George Washington University zusammen und verwendeten ein maschinelles Lernmodell, um die Millionen von Atomen in der Materialstruktur zu modellieren. So gelang es ihnen, eine atomare Struktur zu simulieren, die den experimentellen Daten entsprach. Professor Tianshu Li von der George Washington University erklärte: „Die Modellierung und die Experimente arbeiteten nahtlos zusammen, um die Strukturmuster von SRO erstmals aufzudecken.“

Nachfolgende Forschungen an der University of Arkansas und den Sandia National Laboratories lieferten Erkenntnisse darüber, wie diese kurzreichweitigen Ordnungsstrukturen die elektronischen Eigenschaften von Halbleitern beeinflussen. Wissenschaftler hoffen, durch die Manipulation dieser Ordnungsstrukturen neue Bauelemente und Verarbeitungsverfahren zu ermöglichen. „Indem wir Halbleiter auf atomarer Ebene entwickeln, erweitern wir die Grenzen unserer derzeitigen Möglichkeiten und öffnen die Tür zu einer neuen Ära der Informationstechnologie auf atomarer Ebene“, sagte Vogel.

Weitere Informationen: Lilian M. Vogl et al., „Identification of short-range order motifs in semiconductors“, Science (2025). Zeitschrifteninformationen: Science