Вчені вперше розгадали структуру прихованого атомного порядку всередині мікрочипів

Дослідники з Lawrence Berke­ley Nation­al Lab­o­ra­to­ry та Університету Джорджа Вашингтона вперше безпосередньо спостерігали приховані атомні структури у напівпровідниках. Йдеться про так званий короткодіапазонний порядок (short-range order, SRO) — невидимі схеми розташування атомів, які формуються всередині матеріалу і здатні суттєво змінювати його електронні властивості.

Як пояснюють науковці, навіть у невеликих домішках — наприклад, олова чи кремнію, введених у германій — атоми можуть вибудовуватися в певному порядку, а не хаотично. Цей ефект впливає на ширину забороненої зони, що є ключовим параметром для мікроелектроніки. Проте традиційна мікроскопія не дозволяла побачити ці тонкі структури, адже слабкі сигнали губилися на фоні сильніших від основного матеріалу.

Щоб розв’язати проблему, команда застосувала електронну мікроскопію нового покоління (4D-STEM) у поєднанні з енергетичним фільтром, який підвищив контраст і зробив атомні візерунки помітними. Для подальшого аналізу було використано штучний інтелект: нейромережа виявила шість повторюваних структурних мотивів. Паралельно інша група створила симуляцію з мільйонами атомів, щоб перевірити й відтворити ці мотиви у віртуальному експерименті. Саме поєднання фізичних вимірювань і моделювання дозволило вперше експериментально підтвердити наявність SRO у напівпровідниках.

Відкриття має значний потенціал: контроль за короткодіапазонним порядком може дозволити створювати матеріали з точно заданими властивостями, регулювати ширину забороненої зони та вдосконалювати пристрої для квантових обчислень, нейроморфної електроніки й оптичних сенсорів. Це відкриває новий напрям у проєктуванні матеріалів на атомному рівні, який раніше був недосяжним через обмеження експериментальних методів.

Разом із тим залишаються виклики. Сигнали від SRO можуть спотворюватися через дефекти чи теплові коливання при кімнатній температурі. Крім того, учені тільки починають з’ясовувати, як саме ці атомні мотиви впливають на поведінку матеріалів у реальних умовах. Наступні дослідження мають показати, як керувати цими прихованими структурами для створення нових поколінь напівпровідникових технологій.