Une équipe de recherche dirigée conjointement par le Lawrence Berkeley National Laboratory et l’Université George Washington a publié une nouvelle étude dans la revue Science, confirmant que les atomes dans les semi-conducteurs se disposent selon des motifs locaux uniques, appelés ordre à courte portée (SRO). Cette découverte modifie le comportement électronique des matériaux.

Les semi-conducteurs sont généralement composés d’un élément principal auquel sont ajoutées de petites quantités d’autres éléments. Bien que ces additifs en faible quantité ne suffisent pas à former un motif répétitif global, leur disposition locale restait jusqu’à présent méconnue. L’équipe de recherche a utilisé une technique de microscopie électronique appelée 4D-STEM, combinée à un dispositif de filtrage énergétique, pour observer clairement, pour la première fois, les motifs de disposition atomique dans des échantillons de germanium contenant de petites quantités d’étain et de silicium. L’étude montre que ces atomes ne sont pas distribués de manière aléatoire, mais présentent des caractéristiques de tri préférentiel, formant une structure ordonnée à courte portée. L’auteure principale de l’article, Lillian Vogel, a déclaré que les résultats initiaux étaient confus et difficiles à interpréter, mais l’installation d’un dispositif de filtrage énergétique a permis de révéler progressivement des motifs répétitifs.

Pour valider cette découverte, l’équipe a utilisé un réseau neuronal pré-entraîné pour classer les images de diffraction, identifiant six motifs répétitifs représentatifs des arrangements atomiques spécifiques dans le matériau étudié. Par la suite, en collaboration avec l’équipe de l’Université George Washington, ils ont utilisé des modèles d’apprentissage automatique pour modéliser des millions d’atomes dans la structure du matériau, parvenant à simuler une structure atomique correspondant aux données expérimentales. Le professeur Tianshu Li de l’Université George Washington a déclaré : « La modélisation et l’expérimentation ont collaboré de manière fluide, révélant pour la première fois les motifs de structure SRO. »