Obecnie badania materiałowe są napędzane przez nowe technologie, wynikające z niegasnącej potrzeby miniaturyzacji urządzeń lub/i zastąpienia ich tańszymi oraz wydajniejszymi odpowiednikami. Od kilkudziesięciu lat nowe technologie opierają się na związkach półprzewodnikowych. Związki półprzewodnikowe okazują się niezastąpione w optoelektronice, do produkcji detektorów, laserów, wyświetlaczy czy diod LED, gdzie wszechobecny krzem nie może być zastosowany ze względu na swoją pośrednią i niezbyt szeroką przerwę energetyczną. W Pracowni Mikroanalizy Jądrowej NCBJ, grupa badaczy prowadzi obecnie prace nad wykorzystaniem w tym celu tlenku galu Ga₂O₃.

Historia badań nad półprzewodnikami przez naukowców NCBJ, zapoczątkowana przez prof. Andrzeja Turosa, trwa nieprzerwanie od prawie pół wieku. Badania te prowadzone były głównie przy użyciu techniki rozpraszania wstecznego jonów w trybie kanałowania (RBS/c od ang. Rutherford Backscattering Spectrometry/Channeling), która była standardową techniką w naszym kraju dzięki wysokoenergetycznej wiązce jonów helu otrzymywanej w akceleratorze Lech typu Van de Graaff, mieszczącym się w dawnej siedzibie filii NCBJ i wydziału Fizyki UW przy ul. Hożej 69. Naturalną konsekwencją tych badań było stworzenie unikalnego w skali światowej narzędzia analitycznego do analizy danych RBS/c, programu McChasy. Obecnie badania techniką RBS/c są prowadzone dzięki licznym współpracom z ośrodkami europejskimi, takimi jak HZDR oraz uniwersytetami w Lizbonie i Paris- Saclay. Program McChasy jest również stale rozwijany i udoskonalany, co sprawia że jest bardziej wydajny, przyjazny w obsłudze i powszechnie dostępny.

Tlenek galu (Ga₂O₃) jest ostatnio bardzo popularnym związkiem półprzewodnikowym, który początkowo zwrócił uwagę naukowców głównie ze względu na jego szeroką przerwę energetyczną (~4,8 eV), najszerszą spośród innych intensywnie badanych materiałów, takich jak ZnO, GaN i SiC. Ga₂O₃ nie jest materiałem nowym. Jego historia sięga około 7 dekad, lecz pozostawał na uboczu głównie z powodu trudności w produkcji wysokiej jakości kryształów. Dopiero na przełomie wieków zaczęto zdawać sobie sprawę z jego prawdziwego potencjału ze względu na jego unikatowe połączenie cech: wysokiej przewodności elektrycznej (pole przebicia 7 MVcm^–1), przejrzystości optycznej, ale przede wszystkim z powodu jego wysokiej odporności na promieniowanie i skażenia chemiczne. Historia tlenku galu to przykład, jak przełomowe technologie mogą powstać dzięki połączeniu cierpliwości, postępu technologicznego i interdyscyplinarnych badań. Choć materiał ten przez długi czas pozostawał w cieniu bardziej popularnych półprzewodników, dziś jest jednym z kluczowych kandydatów do zrewolucjonizowania elektroniki mocy i optoelektroniki.

Badania nad tym materiałem do zastosowań optoelektronicznych przez naukowców z NCBJ prowadzone są w ramach projektu GaloRE, kierowanym przez dr hab. Renatę Ratajczak, prof. NCBJ, finansowanym z funduszy NCN w ramach konkursu OPUS23. Właśnie ukazała się trzecia już w tym roku praca grupy, a w planach są kolejne. Wszystkie dotychczas otrzymane w ramach projektu wyniki opublikowane zostały w wysoko punktowanych czasopismach z listy filadelfijskiej tak jak Acta Materialia (200pkt), Materials (140pkt), czy w młodej gazecie z portfolio Nature: Scientific Reports (140pkt), co świadczy zarówno o aktualności jak i wysokim poziomie przeprowadzonych badań.

Wyniki prezentowane w publikacjach dotyczą analizy defektów wywoływanych przez bombardowanie jonowe. Takie badania są niezwykle istotne z praktycznego punktu widzenia, ponieważ powstające defekty muszą być uwzględnione przy produkcji urządzeń mikro- czy optoelektronicznych działających w warunkach narażenia na promieniowanie, tj. przestrzeń kosmiczna czy reaktory. Obecność defektów bowiem w istotny sposób obniża niektóre właściwości materiałów, np. przewodność elektryczną, wydajność świetlną i efektywnie skraca czas życia urządzeń zbudowanych z danych materiałów. Dodatkowo, bardzo ważna też jest identyfikacja powstałych defektów, ponieważ pozwala na dobranie odpowiedniego sposobu, by powstałe defekty wyeliminować, np. stosując wygrzewanie termiczne.

Według autorów, za ich sukcesem stoi wypracowana doświadczeniem metodyka badań. Ich doświadczenie bowiem pokazuje, że często jedna technika badawcza, np. RBS/c, nawet wspierana zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, nie jest wystarczająca by odsłonić wszystkie aspekty badanego zjawiska. Każda z metod strukturalnych ma swoje ograniczenia i tylko połączenie wielu metod badawczych jest w stanie zbudować pełen obraz. W zespole NCBJ od wielu lat jest stosowane połączenie metod RBS/c (rutherfordowskie rozproszenie jonów wstecz wraz z kanałowaniem), XRD (dyfrakcji rentgenowskiej) oraz TEM (mikroskopii transmisyjnej). „Takie unikatowe podejście do badań tej grupy materiałów odsłania kolejne ciekawe aspekty badanego tlenku galu, co owocuje kolejnymi sukcesami i rozpoznawalnością naszej grupy w branży” – podsumowuje dr hab. Renata Ratajczak, prof. NCBJ, kierownik projektu GaloRE oraz pierwszy autor najnowszej publikacji.

Jak opowiada dalej: „W przypadku tlenku galu domieszkowanego jonami iterbu (Ga₂O₃:Yb) badania RBS/c pokazały bardzo skomplikowany przebieg procesu narastania defektów wywoływanych radiacją, co do tej pory nie zostało tak szczegółowo zbadane. Analizy wykazały, że powyżej pewnej dawki jonów, rozkład głębokościowy defektów staje się dwugarbny. Co więcej, defekty z obu obszarów wykazywały inną wrażliwość na dalsze bombardowanie, jak i wygrzewanie, co sugerowało że mamy do czynienia z dwoma różnymi typami defektów, które dają taki sam wkład do widma kanałowania. Badania XRD wykazały natomiast zmiany fazowe wywołane promieniowaniem. Jednak ta metoda nie pozwala określić, na jakiej głębokości nowa faza się wytrąca. Stąd potrzeba obrazowania TEM. Badania TEM wymagają specjalnej preparatyki dokonywanej na próbkach, dlatego wykonujemy je zazwyczaj jako ostanie. Obrazowanie TEM, przeprowadzone na nowo zakupionym i uruchomionym w NCBJ urządzeniu do mikroskopii transmisyjnej potwierdziło istnienie dwóch warstw o różnym rodzaju zdefektowania, a wykorzystanie dodatkowej przystawki tego mikroskopu do badania dyfrakcji elektronów (SAED) umożliwiło zidentyfikowanie, która z warstw jest tą nowo powstałą fazą γ wywołaną promieniowaniem”. Badania grupy NCBJ pokazały dodatkowo, że w warstwie bliżej powierzchni pojawia się wywołana radiacją faza amorficzna. To odkrycie pogodziło podzielony do tej pory świat nauki. Niektóre bowiem, mocno liczące się w branży grupy naukowe, zajmujące się tym zagadnieniem donosiły, że na skutek promieniowania kryształy Ga₂O₃ ulegają amorfizacji, inne zaś, że zamiast tego kryształ się samo-porządkuje strukturalnie, przechodząc w nową fazę γ. Naukowcy z Pracowni Mikroanalizy Jądrowej zażegnali ten spór pokazując, że obie grupy mają rację, bo w pewnych warunkach obie fazy istnieją jednocześnie. Przedmiotem dalszych badań pozostaje jednak to, czy jest to zasługa użytych jonów, warunków bombardowania, czy dawki.

Informacje uzupełniające:

Do badania defektów powstałych wskutek promieniowania w materiałach o strukturze krystalicznej powszechnie stosuje się technikę RBS w trybie kanałowania jonów. Takie defekty struktury mogą powstawać już na etapie wzrostu kryształu, ale te bardziej interesujące to głównie skutek oddziaływania materiału z jonami, np. w kosmosie czy reaktorze jądrowym. Na efekty napromieniowania w takich warunkach trzeba czekać latami, jednak w laboratorium proces ten można przyspieszyć, wykorzystując akcelerator cząstek. Bombardowanie materiału wysokoenergetycznymi jonami to również powszechna metoda intencjonalnego wprowadzania jonów domieszki do matrycy kryształu, np. w celu zmiany jego właściwości optycznych, tak jak ma to miejsce w przypadku Ga₂O₃ do którego wprowadzamy atomy Yb. Przyspieszane do wysokiej energii jony są kierowane na badana próbkę materiału i w nią wnikają, zderzają się z atomami kryształu i mogą wybijać je z normalnych pozycji, tracąc w ten sposób energię i zmieniając kierunek swojego ruchu. Z kolei wybite w ten sposób atomy mogą wybijać następne, tworząc „bałagan” w sieci krystalicznej. Sytuacja jest analogiczna do tej, którą możemy obserwować na stole bilardowym, gdzie pierwsza bila uderza w trójkąt ułożonych na stole kul. W przypadku intencjonalnego bombardowania jonami mamy jednak do czynienia z 10¹⁵ takich kul. Tak w uproszczeniu powstają defekty struktury krystalicznej. Przy dużej liczbie defektów, mają one tendencję do łączenia się i transformacji w nowe, bardziej złożone formy. Powstałe zmiany można badać za pomocą różnych technik, takich jak mikroskopia transmisyjna (TEM), dyfrakcja rentgenowska (XRD), czy właśnie kanałowanie jonów (RBS/c).

W technice RBS/c, materiał ponownie bombarduje się jonami przyspieszonymi do wysokiej energii, jednak w tym przypadku są to jony bardzo lekkie (zazwyczaj hel). W przeciwieństwie do ciężkich jonów, odbijają się one od atomów kryształu (używamy określenia rozpraszają, gdyż nie dochodzi do fizycznego zderzenia, a odpychania elektrostatycznego), a strata energii daje informacje o tym, na jakim atomie i na jakiej głębokości jon uległ rozproszeniu. Jeżeli kryształ będzie odpowiednio zorientowany, tak by przyspieszone jony podróżowały przez puste przestrzenie między rzędami atomów, tzw. kanałami (stąd nazwa kanałowanie), wtedy do rozproszeń dochodzi bardzo rzadko. Jeśli jednak na drodze jonu pojawi się defekt, wówczas prawdopodobieństwo rozproszenia znacznie wzrośnie. Kształt zbieranego widma RBS silnie zależy od rodzaju defektów, jakie jon napotkał na swojej drodze. Naturalną konsekwencją takich badań było stworzenie unikalnego w skali światowej narzędzia analitycznego do analizy danych RBS/c, programu McChasy, który umożliwia odseparowanie sygnałów pochodzących od różnych rodzajów defektów.