Lattice site and thermal stability of transition metals in germanium
De positiebepaling van - een klein aantal - onzuiverheden in germanium
De dag van vandaag wil iedereen graag snelle en betere computers. Hiervoor is een steeds betere chiptechnologie nodig. De vraag is hoe we zo goed mogelijk aan deze vraag kunnen voldoen. Een mogelijke oplossing is de horizon verruimen door onderzoek te doen naar andere elementen die als basismateriaal kunnen dienen voor de productie van chips. Germanium zou een mogelijkheid kunnen zijn in plaats van het tot nu toe veelvuldig gebruikte element silicium. In germanium kunnen ook onzuiverheden ingevoegd worden. Op deze manier kunnen de (functionele) eigenschappen van het basismateriaal alsnog verbeterd worden.
Voorbeelden van mogelijke onzuiverheden zijn overgangsmetalen. Dit zijn elementen die zich in het midden bevinden van het periodiek systeem, bijvoorbeeld mangaan, nikkel, ijzer of koper. Een nadeel van deze onzuiverheden is echter dat ze elektrische compensatiedefecten veroorzaken. Met andere woorden, ladingsdragers, die zorgen voor stroomgeleiding, kunnen in deze defecten gevangen worden en dus verloren gaan. Een belangrijke toepassing is de mogelijkheid tot het verkrijgen van magnetische eigenschappen in een niet-magnetisch basismateriaal, bijvoorbeeld door het invoegen van mangaan in germanium. Zowel de hierboven opgenoemde elektrische als magnetische eigenschappen zijn afhankelijk van de positie van onzuiverheden. De mogelijke posities die onzuiverheden innemen, kunnen onderverdeeld worden in twee belangrijke categorieën. Een eerste categorie onstaat door de impact van het inschieten van de onzuiverheden in het basismateriaal, waardoor germaniumatomen mogelijk een lege plaats achterlaten. Onzuiverheden kunnen dus posities bezetten die oorspronkelijk ingenomen waren door germaniumatomen. Anderzijds zijn er ook verschillende andere posities mogelijk, waarvan sommigen de voorkeur krijgen omwille van een bepaalde symmetrie in het materiaal. Wat betreft de magnetische toepassing, enkel de mangaan atomen op een oorspronkelijk ingenomen germaniumpositie zorgen voor magnetische eigenschappen van het materiaal. Bijgevolg is belangrijk om te bepalen waar de onzuiverheden zich juist bevinden in het basismateriaal.
Deze positiebepalende studie wordt gerealiseerd met behulp van nucleaire technieken in CERN (Zwitserland). Eerst wordt een radioactief ion geïmplanteerd - of ook wel ingeschoten - in germanium. Dit ion zendt omwille van het radioactief verval elektronen uit, die via de rijen van germaniumatomen in het rooster een weg naar de detector vinden. Door de vergelijking van de experimenten (zie bijlage) met theoretische simulaties kan achterhaald worden waar het radioactief ion zich bevindt. Ook kan een schatting gemaakt worden van de hoeveelheid (de fractie) ionen op een bepaalde positie. Aangezien vele elektronische apparaten opwarmen tijdens hun werking, laat de techniek ook toe om deze fracties te bepalen voor verschillende temperaturen waarop de onderzochte materialen opgewarmd worden.
Deze techniek - de emissie kanalisatietechniek - wordt gebruikt om de posities van zowel kleine hoeveelheden mangaan als nikkel in germanium te bepalen. Aangezien het voor germanium, in vergelijking met silicium, gemakkelijker is om een atoom uit zijn oorspronkelijke locatie te doen wegschieten, zullen de ingebrachte onzuiverheden al zeker deze lege plaatsen innemen. Beide onderzochte elementen zitten alleszins op deze positie tot een opwarmingstemperatuur van 400°C. Naast het innemen van deze locatie bezetten mangaan en nikkel in germanium ook een positie die zich bevindt tussen twee plaatsen van de oorspronkelijk germaniumstructuur. Deze positie wordt spontaan ingenomen wanneer lege germaniumplaatsen aanwezig zijn. Deze locatie is dan ook gerelateerd aan de geïntroduceerde defecten, aangezien deze lege plaatsen ontstaan door de impact van het inschieten van onzuiverheden in germanium. Ook deze locatie wordt zowel bij mangaan als bij nikkel teruggevonden tot 400°C. Nikkel in germanium blijkt echter een speciaal geval te zijn. Naast de hierboven vermelde ingenomen locaties, nestelen nikkelatomen zich namelijk ook op een andere positie. Nikkel is overigens het eerste element van de tot hiertoe onderzochte overgangsmetalen in germanium dat op die positie is waargenomen. Het is nog niet helemaal duidelijk waarom een element deze positie inneemt, maar waarschijnlijk is het ook gerelateerd aan defecten. Meer onderzoek is hier dus zeker op zijn plaats.
Kortom, met behulp van de emissie kanalisatietechniek werden de posities van geïmplanteerd mangaan en nikkel in germanium bepaald. Als gevolg van de implantatie kunnen defecten ontstaan. Voor nikkel werden echter onverwachte posities waargenomen, wat verder onderzoek vereist.
