En enkel måde at få komplekse halvledere til at samle sig selv

At stable ekstremt tynde film af materiale oven på hinanden kan skabe nye materialer med spændende nye egenskaber. Men de mest succesrige processer til at bygge disse stakke kan være kedelige og ufuldkomne, og ikke velegnet til storskalaproduktion.

Nu har et hold ledet af Stanford Professor Hemamala Karunadasa skabt en meget enklere og hurtigere måde at gøre det på. De dyrkede 2D-lag af et af de mest eftertragtede materialer, kendt som perovskites, sammenflettet med tynde lag af andre materialer i store krystaller, der samler sig selv.

Samlingen foregår i hætteglas, hvor de kemiske ingredienser til lagene vælter rundt i vand, sammen med vægtstangsformede molekyler, der styrer handlingen. Hver ende af en vægtstang bærer en skabelon til dyrkning af én type lag. Når lagene krystalliserer - en proces, der ligner at lave stenslik - forbinder vægtstængerne dem automatisk i den rigtige rækkefølge.

"Det, der virkelig er fedt, er, at disse komplekse lagdelte materialer spontant krystalliserer, sagde Michael Aubrey, som var postdoc-forsker i Karunadasas laboratorium på tidspunktet for undersøgelsen.

Forskerne siger, at deres metode lægger grundlaget for at lave en bred vifte af komplekse halvledere på en meget mere bevidst måde, herunder kombinationer af materialer, der ikke tidligere har været kendt for at parre sig i krystaller. De beskrev arbejdet i et papir udgivet i Natur i dag.

"Vi er ret begejstrede for denne generelle strategi, der kan udvides til så mange slags materialer, " sagde Karunadasa, som er efterforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory.

"I stedet for at manipulere materialer et lag ad gangen, " hun sagde, "Vi smider bare ionerne i en gryde med vand og lader ionerne samle sig, som de vil samles. Vi kan lave gram af det her, og vi ved, hvor atomerne er i krystallerne. Dette præcisionsniveau giver mig mulighed for at vide, hvordan grænsefladerne mellem lagene virkelig ser ud, hvilket er vigtigt for at bestemme materialets elektroniske struktur - hvordan dets elektroner opfører sig"

Nemt at lave, svært at stable

Halidperovskitter - materialer, der har den samme oktaedriske struktur som naturligt forekommende perovskitmineraler - er blevet samlet i vand siden 1900'erne, sagde Aubrey. De har et stort potentiale for effektivt at absorbere sollys i solceller og omdanne det til elektricitet, men de er også notorisk ustabile, især i det varme, strålende oplyste miljøer, som solceller opererer i.

Lagring af perovskiter med andre materialer kan kombinere deres egenskaber på måder, der forbedrer deres ydeevne i specifikke applikationer. Men en endnu mere spændende udsigt er, at helt nye og uventede egenskaber kan dukke op på de grænseflader, hvor lag mødes; for eksempel, Forskere har tidligere opdaget, at stabling af tynde film af to forskellige typer isolatorer kan skabe en elektrisk leder.

Det er svært at forudsige, hvilke kombinationer af materialer der vil vise sig at være interessante og nyttige. Hvad mere er, at lave tyndt lagde materialer har været en langsom, omhyggelig proces. Lag fremstilles generelt ved at skrælle film kun et eller to atomer tykke, en ad gangen, fra et større stykke materiale. Det er sådan grafen er lavet af grafit, en ren form for kulstof, der bruges i blyanter. I andre tilfælde, disse tyndt lagde materialer er lavet i bittesmå partier ved meget høje temperaturer.

"Måden de er lavet på har ikke været skalerbar og nogle gange endda svær at reproducere fra en batch til en anden, " sagde Karunadasa. "At skrælle lag af, der kun er et eller to atomer tykke, er specialiseret arbejde; det er ikke noget du og jeg bare kan gå ind i laboratoriet og gøre. Disse ark er som et meget fleksibelt sæt kort; når du tager en ud, den kan krølle eller spænde. Så det er svært at kende den nøjagtige struktur af den endelige stak. Der er meget lidt præcedens for materialer, der ligner dem, vi skabte i denne undersøgelse."

Rock slik syntese

Dette arbejde voksede ud af forskning af studiets medforfatter Abraham Saldivar Valdes, en kandidatstuderende i Karunadasas gruppe på det tidspunkt. I løbet af flere år, han udviklede den nye metode til at få de lagdelte strukturer til at samle sig selv, som blev yderligere udvidet af kandidatstuderende Bridget Connor. I mellemtiden Aubrey opdagede, at deres atomisk tynde lag havde samme struktur som 3D-blokke af lignende materialer, hvis egenskaber allerede var kendt, og han sporede, hvordan de to forskellige lag skal forvrænges lidt for at dele en grænseflade. Han studerede også de optiske egenskaber af de endelige produkter med hjælp fra kandidatstuderende Kurt Lindquist.

At skabe de lagdelte strukturer "er nøjagtig den samme proces som at lave stenslik, hvor du taber en trædyvel i mættet sukkeropløsning og slikkrystallerne frøs på dyvlen, " sagde Aubrey. "Men i dette tilfælde er udgangsmaterialerne anderledes, og du behøver ikke en dyvel - krystaller vil begynde at dannes i vand eller på overfladen af ​​hætteglasset."

Holdet lavede seks af de selvsamlede materialer, interleaving af perovskiter med metalhalogenider eller metalsulfider, og undersøgte dem med røntgenstråler ved Advanced Light Source ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory.

I de fleste strukturer, vægtstangsmolekylerne holdt lagene lidt fra hinanden. Men i et af dem bragte vægtstangsmolekylerne lagene direkte i kontakt med hinanden, så de kunne danne kemiske bindinger.

"Vi er særligt begejstrede for denne type struktur, hvor lagene er forbundet, fordi det kan føre til nye egenskaber, som elektroniske excitationer, der er fordelt på tværs af begge lag, " sagde Karunadasa.

"Og i dette særlige tilfælde, når vi rammer materialet med lys for at frigøre elektroner og skabe positivt ladede huller, vi fandt elektronerne for det meste i den ene type lag og hullerne mest i den anden. Det er vigtigt i vores felt, fordi det giver dig mulighed for at tune de to miljøer for at få den elektroniske adfærd, du ønsker."

Med den nye teknik i hånden, Aubrey sagde, "Vi laver en masse udforskning nu for at finde ud af, hvilke slags strukturer der kan laves med det."