Ulige par monolags halvledere justeres for at fremme optoelektronik

Epitaksi, eller voksende krystallinske filmlag, som skabes af et krystallinsk substrat, er en grundpille i fremstilling af transistorer og halvledere. Hvis materialet i et aflejret lag er det samme som materialet i det næste lag, det kan være energetisk gunstigt for stærke bånd at danne mellem de højt ordnede, perfekt afstemte lag. I modsætning, Det er en stor udfordring at prøve at lægge forskellige materialer i lag, hvis krystalgitrene ikke let passer sammen. Derefter, svage van der Waals-kræfter skaber tiltrækning, men danner ikke stærke bånd mellem forskellige lag.

I en undersøgelse ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, videnskabsmænd syntetiserede en stak af atomisk tynde monolag af to gitter-mismatchede halvledere. En, gallium selenid, er en "p-type" halvleder, rig på ladningsbærere kaldet "huller". Den anden, molybdæn diselenid, er en "n-type" halvleder, rig på elektronladningsbærere. Hvor de to halvlederlag mødtes, de dannede en atomisk skarp heterostruktur kaldet en p-n-junction, som genererede en fotovoltaisk respons ved at adskille elektron-hul-par, der blev genereret af lys. Præstationen med at skabe denne atomisk tynde solcelle, udgivet i Videnskabens fremskridt , viser løftet om at syntetisere uoverensstemmende lag for at muliggøre nye familier af funktionelle todimensionelle (2D) materialer.

Ideen om at stable forskellige materialer oven på hinanden er ikke ny i sig selv. Faktisk, det er grundlaget for de fleste elektroniske enheder, der bruges i dag. Men sådan stabling fungerer normalt kun, når de enkelte materialer har krystalgitter, der ligner hinanden meget, dvs. de har et godt "gittermatch". Det er her, denne forskning bryder ny vej ved at dyrke højkvalitetslag af meget forskellige 2D-materialer, udvide antallet af materialer, der kan kombineres og dermed skabe et bredere udvalg af potentielle atomartede elektroniske enheder.

"Fordi de to lag havde så stort et gittermisforhold mellem dem, det er meget uventet, at de ville vokse på hinanden på en velordnet måde, " sagde ORNL's Xufan Li, hovedforfatter af undersøgelsen. "Men det virkede."

Gruppen var den første til at vise, at monolag af to forskellige typer metalchalcogenider - binære svovlforbindelser, selen eller tellur med et mere elektropositivt grundstof eller radikal - med så forskellige gitterkonstanter kan dyrkes sammen for at danne et perfekt afstemt stable-dobbeltlag. "Det er en ny, potentiel byggesten til energieffektiv optoelektronik, " sagde Li.

Efter at have karakteriseret deres nye tolags byggesten, forskerne fandt ud af, at de to uoverensstemmende lag havde samlet sig selv til en gentagende langrækkende atomorden, som direkte kunne visualiseres af de Moiré-mønstre, de viste i elektronmikroskopet. "Vi var overraskede over, at disse mønstre passede perfekt, " sagde Li.

Forskere i ORNL's Functional Hybrid Nanomaterials-gruppe, ledet af David Geohegan, udførte undersøgelsen med partnere ved Vanderbilt University, University of Utah og Beijing Computational Science Research Center.

"Disse nye 2D-mismatchede lagdelte heterostrukturer åbner døren til nye byggeklodser til optoelektroniske applikationer, " sagde seniorforfatter Kai Xiao fra ORNL. "De kan give os mulighed for at studere nye fysikegenskaber, som ikke kan opdages med andre 2D-heterostrukturer med matchede gitter. De tilbyder potentiale for en bred vifte af fysiske fænomener lige fra grænseflademagnetisme, superledning og Hofstadters sommerfugleeffekt."

Li dyrkede først et monolag af molybdændiselenid, og så voksede et lag galliumselenid ovenpå. Denne teknik, kaldet "van der Waals epitaksi, " er opkaldt efter de svage tiltrækningskræfter, der holder uens lag sammen. "Med van der Waals epitaksi, på trods af store gitter-uoverensstemmelser, du kan stadig dyrke endnu et lag på det første, " sagde Li. Ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi, holdet karakteriserede materialernes atomare struktur og afslørede dannelsen af ​​Moiré-mønstre.

Forskerne planlægger at udføre fremtidige undersøgelser for at udforske, hvordan materialet tilpasser sig under vækstprocessen, og hvordan materialesammensætningen påvirker egenskaber ud over den fotovoltaiske respons. Forskningen fremmer indsatsen for at inkorporere 2D-materialer i enheder.

I mange år, lagdeling af forskellige forbindelser med lignende gittercellestørrelser er blevet undersøgt bredt. Forskellige elementer er blevet inkorporeret i forbindelserne for at producere en lang række fysiske egenskaber relateret til superledningsevne, magnetisme og termoelektrik. Men lagdeling af 2D-forbindelser med uens gittercellestørrelser er praktisk talt uudforsket territorium.

"Vi har åbnet døren til at udforske alle typer af uoverensstemmende heterostrukturer, " sagde Li.

Titlen på papiret er "Todimensionelle GaSe/MoSe2 mistilpassede dobbeltlags heterojunctions by van der Waals epitaxy."