Nanoteknisk teknik kan hjælpe efterforskning, skalerbarhed af næste generations elektronik

Tilsæt bare svovl.

Nebraska-ingeniører Peter og Eli Sutter har vist, at elementære krydderier kan krydre en nanomaterialesandwich ved at sætte et bogstaveligt twist på den flerlagede klassiker.

Det twist, en 30-graders rotation af hvert atom tyndt lag i forhold til det under det, kunne hjælpe med at opleve teknologiske menuer på femstjernede laboratorier verden over:nye elektroniske eller optiske egenskaber, større hastighed, mere funktionalitet på mindre plads.

Trods alt, du er min van der Waals

I bedre del af et årti, ingeniører har udarbejdet og testet opskrifter på såkaldte van der Waals heterostrukturer:stakke med atomtynde tynde krystallag, der kan sekventeres netop. Sammenlignet med en homostruktur - den nanoskopiske ækvivalent med en skinkeplade - kan en heterostruktur indeholde skiver pastrami, pepperoni og peberfrugt, alle holdt sammen af ​​de svage van der Waals -kræfter blandt tilstødende atomlag.

"Denne stabling åbner op for mange muligheder, fordi det giver os mulighed for at blande og matche et stort bibliotek af tilgængeligt materiale, "sagde Peter professor i el- og computerteknik.

Ingeniører opdagede hurtigt, at mangfoldigheden kunne dyrke teknologisk interessante egenskaber, ofte i de regioner, hvor to forskellige materialer mødes, der ellers er svære eller umulige at genskabe. Derefter, et par år siden, forskere begyndte at undersøge virkningerne af at rotere lagene i van der Waals stakke. Den fejljustering af lag, de fandt, kunne også give interessante resultater - at gøre et materiale til en superleder, for eksempel, eller ændre hvordan en halvleder udsender lys.

Alligevel kom præstationen over for en betydelig udfordring:På trods af van der Waals styrkers svaghed, tilstødende lag foretrækker stærkt at forblive på linje. Manuelt stabling af lag et efter et kan overvinde problemet, men kræver ekstrem præcision og, vigtigere, tid, som store producenter af lille teknologi ikke lige har.

"Det er ikke skalerbart på nogen (meningsfuld) måde, sagde Eli, professor i mekanik og materialeteknik. "Hvis man vil udvikle applikationer baseret på snoede van der Waals -stakke, det er umuligt at forestille sig fabriksarbejdere, der sidder der og arrangerer disse stykker, med hånden, oven på hinanden.

"Man skal manuelt stable en lille flage ad gangen. For at bygge en enhed, måske det kan fungere. At bygge 10, måske er det (bare) kedeligt. Men mere end det er bestemt uden for rækkevidde. "

Så Sutterne, sammen med kolleger fra Aalto University og University of Wyoming, besluttede at prøve en anden taktik:direkte syntetisering af snoede stakke. Håndtering af det, selvom, betød at overvinde et grundlæggende princip for tyndfilmvækst:tendensen for hvert tilføjet lag til at arve dets orientering fra den underliggende krystal.

"Vi troede, at hvis vi først kunne dyrke en anden krystal, der derefter ville blive omdannet til den ønskede, så måske denne mellemkrystal, frem for det underliggende substrat, kunne diktere orienteringen af ​​det endelige produkt, "Sagde Peter.

De startede med en understøttelse af tindisulfid, en forbindelse, der har to svovlatomer for hvert tinatom og er nyttig som en lagdelt halvleder. Efter at have dyrket et atom tyndt lag tinmonosulfid - et svovlatom, en dåse - på tindisulfidbasen, holdet mættede det tinmonosulfid med en svovldamp.

Som forventet, tinmonosulfidet omdannes spontant til tindisulfid. Men fordi tinmonosulfidkrystaller vokser i et rektangulært gitter-i modsætning til den hexagonale konfiguration af tindisulfid-antog gitteret i det nyligt transformerede andet lag et 30-graders twist i forhold til understøttende krystal. Og da forskerne gentog processen, det tredje lag tog sit fingerpeg fra det andet, roterer 30 grader i forhold til den og 60 grader i forhold til den første.

For at demonstrere generaliserbarheden af ​​tilgangen, holdet opnåede den samme bedrift efter at have udskiftet tindisulfid -substratet med to andre van der Waals halvledere, molybdendisulfid og wolframdisulfid.

Næste generations kløft

Snoede heterostrukturer viser særligt løfte om at ændre et væsentligt aspekt af atomtynde halvledere:deres båndgab. Elektronerne i halvledere besidder hver en vis mængde energi - inden for en række forskellige energiværdier kaldet valensbåndet - når de efterlades uforstyrret. Når spændt på varme eller lys, disse elektroner hopper til en række højere energiværdier - ledningsbåndet - der tillader dem at strømme som elektricitet. Kløften mellem de to bånd, eller bandgap, hjælper med at diktere, hvordan halvledermaterialer leder elektrisk strøm og absorberer eller udsender lys.

"Så der kan dukke nogle meget interessante egenskaber op, hvis du spiller dette snoede spil, "Sagde Peter.

Den samme vridning, der kunne informere næste generations mikro- og opto-elektronik, fremkalder også mosaikkerne i det gamle Rom og islam, han sagde, skabe et kvasi-krystallinsk flisemønster, der fylder rummet ikke ved periodisk at gentage den samme grundenhed, som almindelige krystaller gør, men ved at give flere komplementære former.

Selvom denne vridning repræsenterer en sejr over van der Waals tendens til justering, Peter sagde, at mestre snoede heterostrukturer frembyder stadig formidable udfordringer.

"Det er en start, "sagde han om holdets fremgang." Det er ikke helt tilfredsstillende endnu, fordi vi ikke kan for eksempel, (vælg) den vridningsvinkel, vi ønsker.

"Men det er i hvert fald ikke længere nul grader."