Forskere syr atomgitre sømløst sammen

Sammenføjning af forskellige slags materialer kan føre til alle former for gennembrud. Det er en væsentlig færdighed, der gjorde det muligt for mennesker at lave alt fra skyskrabere (ved at forstærke beton med stål) til solceller (ved at lægge materialer i lag til flokelektroner).

Inden for elektronik, sammenføjning af forskellige materialer producerer heterojunctions - de mest fundamentale komponenter i solceller, LED'er og computerchips. Jo glattere sømmen er mellem to materialer, jo lettere strømmer elektroner hen over det, hvilket er afgørende for, hvor godt elektroniske enheder fungerer. Men de består af krystaller - stive gitter af atomer - og de tager ikke så godt imod at blive moset sammen.

I en undersøgelse offentliggjort 8. marts i Videnskab , Forskere fra Cornell University og University of Chicago afslørede en teknik til at "sy" to pletter af krystaller sømløst sammen for at skabe atomisk tynde stoffer.

Holdet ønskede at gøre dette ved at sy forskellige stoflignende, tre atomer tykke krystaller. "Normalt dyrkes disse i etaper under meget forskellige forhold; dyrk først ét ​​materiale, stoppe væksten, ændre tilstanden, og start det igen for at dyrke et andet materiale, " sagde Jiwoong Park, professor i kemi ved University of Chicago, og en seniorforfatter på undersøgelsen.

De resulterende enkeltlagsmaterialer er de mest perfekt tilpassede nogensinde dyrket, ifølge forskerne. Den blidere overgang betyder, at på de punkter, hvor de to gitter mødes, det ene gitter strækker sig eller vokser for at møde det andet - i stedet for at efterlade huller eller andre defekter.

"Hvis du tænker på materialerne som to forskellige typer stof, med to forskellige trådtal, hvor hver række af atomer repræsenterer en tråd, så prøver vi at forbinde dem tråd-til-tråd uden løse tråde, " sagde David A. Muller, Cornell professor i anvendt og teknisk fysik og meddirektør for Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, og en seniorforfatter på undersøgelsen. "Ved at bruge en ny type elektrondetektor - dybest set en superhurtig, superfølsomt kamera - vi var i stand til at måle strækningen af ​​materialerne fra hvor det blev sammenføjet på atomskalaen til hvordan hele arket passede sammen, og gør det med en præcision bedre end en tredjedel af en procent af afstanden mellem atomer."

Atomsømmene er så stramme, mikroskopet afslørede det største af de to materialer, der rynker lidt rundt om leddet.

"Danningen af ​​krusninger i disse anstrengte 2-D materialer gav os grobund for at udforske, hvordan makroskopiske modeller for den elastiske energi kan kombineres med mikroskopiske teorier for de stærke underliggende van der Waals interaktioner, " sagde Robert A. DiStasio Jr., assisterende professor i Cornells afdeling for kemi og kemisk biologi i College of Arts and Sciences, og en af ​​avisens seniorforfattere.

De besluttede at teste dens ydeevne i en af ​​de mest udbredte elektroniske enheder:en diode. To slags materiale er forbundet, og elektroner formodes at være i stand til at strømme én vej gennem "stoffet, "men ikke den anden.

Dioden lyste op. "Det var spændende at se disse tre-atom-tykke LED'er gløde. Vi så fremragende ydeevne - den bedst kendte for disse typer materialer, " sagde Saien Xie, en Cornell kandidatstuderende i teknik og første forfatter på papiret.

Opdagelsen åbner op for nogle interessante ideer til elektronik. Enheder som LED'er er i øjeblikket stablet i lag - 3-D versus 2-D - og er normalt på en stiv overflade. Men den nye teknik kunne tillade nye konfigurationer, som fleksible LED'er eller atomtykke 2-D kredsløb, der fungerer horisontalt og sideværts.

Park bemærkede, at strækningen og komprimeringen ændrede farven på krystallerne på grund af de kvantemekaniske effekter. Dette antyder potentiale for lyssensorer og LED'er, der kan indstilles til forskellige farver, for eksempel, eller belastningsfølende stoffer, der skifter farve, når de strækkes.

"Dette er så ukendt, at vi ikke engang kender alle de muligheder, det rummer endnu, " sagde Park. "Selv for to år siden ville det have været utænkeligt."