Открытие может помочь в разработке более надёжной электроники для космической отрасли, ядерной энергетики и других экстремальных условий.
Исследователи NU выяснили, почему одна из структурных форм оксида галлия — полупроводникового материала — способна выдерживать интенсивное воздействие ионного излучения, не сохраняя характерных микроскопических повреждений, которые обычно возникают под воздействием высокоэнергетических частиц.
Исследование провели Азат Абдуллаев, Рустем Тлегенов, Каиролла Секербаев и профессор физики NU Жандос Утегулов совместно с международными партнёрами из Норвегии, Финляндии, Южной Африки, Гонконга и Чехии.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications, который, согласно данным Scopus Sources, входит в 2% ведущих научных журналов мира в области физики. Открытие может открыть новые возможности для создания более долговечных электронных материалов, способных работать в условиях интенсивного радиационного воздействия, в том числе в космосе и ядерной энергетике.
Космическое пространство наполнено высокоэнергетическими частицами, которые могут повреждать материалы спутников и электронные компоненты. С аналогичными проблемами сталкиваются и ядерные технологии. Проходя через твёрдое тело, высокоэнергетический ион передаёт ему энергию вдоль своей траектории, потенциально нарушая атомную структуру материала и оставляя микроскопический след, известный как ионный трек.
Такие следы невозможно увидеть невооружённым глазом, однако они могут изменять тепловые и структурные свойства материала. По сути, это крошечные шрамы, остающиеся после воздействия радиации. Чтобы понять, как оксид галлия реагирует на подобные воздействия, исследователи объединили передовые методы лазерных измерений тепловых характеристик, электронную микроскопию и компьютерное моделирование.
Учёные обнаружили существенное различие между двумя структурными формами этого материала. Если в более жёсткой форме сохранялись микроскопические следы радиационного повреждения, то в более гибкой форме таких устойчивых следов не оставалось даже после интенсивного воздействия высокоэнергетических ионов. Важно отметить, что это не означает, будто повреждения изначально не возникали. Напротив, гибкая структура, по-видимому, способна восстанавливаться после первоначального воздействия, благодаря чему повреждения не сохраняются надолго.
Полученные результаты ставят под сомнение общепринятые представления о том, как материалы реагируют на радиацию. Считается, что материалы с низкой теплопроводностью более уязвимы к ионному воздействию, поскольку хуже рассеивают энергию. Однако более гибкая структурная форма оксида галлия продемонстрировала высокую устойчивость к образованию постоянных ионных треков, несмотря на очень низкую теплопроводность.
Это позволяет предположить, что способность материала восстанавливать свою атомную структуру после повреждения может быть не менее важна, чем его способность рассеивать энергию.
Результаты исследования могут иметь значение для нескольких технологических отраслей. В космической отрасли полупроводники с повышенной радиационной устойчивостью могут повысить надёжность работы спутниковой электроники в суровых условиях космического пространства. В ядерной энергетике материалы, лучше сопротивляющиеся изменениям под воздействием радиации, могут способствовать увеличению срока службы компонентов ядерных технологий. В сфере передовой электроники оксид галлия уже изучается как материал для высоковольтных устройств. Понимание того, как различные структурные формы оксида галлия реагируют на радиацию, может помочь учёным улучшить характеристики таких устройств в условиях повышенных нагрузок. Пока эти области применения остаются перспективными и потребуют дополнительных испытаний на реальных устройствах и в различных радиационных условиях.
Исследование указывает на потенциально новое направление в материаловедении: вместо того чтобы сосредоточиться исключительно на предотвращении повреждений, учёные могут разрабатывать материалы, способные самостоятельно восстанавливаться после них. Понимание того, как атомы перестраиваются после экстремальных воздействий, может помочь создать более надёжные материалы для условий, в которых традиционные полупроводники сталкиваются с серьёзными ограничениями.
