Dativ epitaksi:En ny måde at stable krystalfilm på

Forskere har dyrket tynde film af to forskellige krystallinske materialer oven på hinanden ved hjælp af en innovativ teknik kaldet "dativ epitaksi." Forskerne opdagede metoden overraskende.

Som University at Buffalo fysiker Hao Zeng forklarer, holder dativ epitaksi lag af forskellige materialer sammen via en svag tiltrækningskraft mellem materialerne, parret med lejlighedsvise kemiske bindinger kaldet "dativbindinger."

"Jeg sammenligner dette med at lægge trægulv i dit hjem," siger Zeng, professor i fysik ved UB College of Arts and Sciences. "Du sætter et par søm i for at forankre træplankerne på overfladen. Dativbindingerne er som disse søm."

Forskningen er spændende, siger Zeng, fordi nye måder at lagfilme "kan have vidtrækkende virkninger inden for halvledere, kvanteteknologi og vedvarende energi."

Zeng og kolleger rapporterer om dativepitaksi i et martsblad i Advanced Materials .

En "tilfældig" opdagelse

"Vi startede ikke med ideen om dativ epitaksi," siger Zeng. "Jeg vil sige, at det var en tilfældig opdagelse. I starten forsøgte vi at dyrke atomisk tynde magneter på et lag af van der Waals-materiale, som fungerer som en skabelon til at fremme 2D-vækst."

Som en del af denne magnetfremstilling dyrkede Bian, en UB-fysikpostdoktoral forsker, et supertyndt lag kromtellurid oven på et supertyndt "monolag" af wolframdiselenid.

Forskerne troede, at de to film kun ville blive holdt sammen af ​​en svag tiltrækning mellem materialerne, kendt som van der Waals-styrken. Men et kig under mikroskopet afslørede noget uventet.

"Da Mengying kom ind på kontoret og viste mig dette meget flotte mikroskopbillede, indså vi straks, at der var noget usædvanligt," husker Zeng. "Krystallerne så ud som om de var perfekt justeret med hinanden, og denne form for perfekt justering antydede, at det måske ikke var den van der Waals epitaksi, vi forventede. I van der Waals epitaksi kan orienteringen af ​​lag ikke kontrolleres særlig præcist, fordi lagene interagerer ikke stærkt med hinanden."

Efter yderligere eksperimentel og teoretisk analyse, i samarbejde med Renat Sabirianov, Ph.D., ved University of Nebraska i Omaha, konkluderede forskerne, at ud over van der Waals-styrken forbandt "sporadiske" dativbindinger de to film.

Så kom endnu en overraskelse. Da Zeng søgte efter eksisterende litteratur om dativepitaksi, fandt han kun én:et nyligt teoretisk arbejde, der forudsiger dativbinding forbedret van der Waals epitaksi. Undersøgelsen blev ledet - igen, serendipitously - af hans mangeårige samarbejdspartner ved Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "var meget begejstret for at høre, at vores eksperimentelle opdagelse bekræftede hans hypotese," siger Zeng.

'Guldlok-princippet' for epitaksi

UB has filed a provisional patent application for dative epitaxy methods, and is looking to expand on this research through collaboration with industry and research partners. Zeng and Bian say the technique represents a "Goldilocks principle" when it comes to layering crystalline films.

Epitaxy involves growing one crystalline material on another crystalline substrate, with a well-defined orientation relationship between them. Conventional epitaxy requires that two materials share similar lattice spacing, which has to do with the distance between atoms. Van der Waals epitaxy overcomes this hurdle but can lead to crystals growing in the wrong direction.

"Dative epitaxy circumvents the stringent lattice-matching requirements in conventional epitaxy, while also taking advantage of the formation of special chemical bonds to fix crystal orientation," Bian says.

"Dative epitaxy could allow a broader range of materials to be grown. It really gives people a lot of flexibility and choice," Zeng says. "It's the Goldilocks principle in epitaxy:It captures the benefits of conventional and van der Waals epitaxial techniques, but addresses the drawbacks of both."

Given these advantages, Zeng says, their "technique could open the door to high-quality epitaxial growth of a variety of compound semiconductor thin films, such as, potentially, gallium arsenide or gallium nitride on silicon wafers. Integrating these materials are super important to the semiconductor industry, which has been a longstanding challenge due to the limitations of other forms of epitaxy." + Udforsk yderligere

Graphene-driving strain engineering to enable strain-free epitaxy of AlN film for deep ultraviolet light-emitting diode