Forskere dyrker en snoet flerlags krystalstruktur til næste generations materialer

Forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University og DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) har dyrket en snoet flerlags krystalstruktur for første gang og målt strukturens nøgleegenskaber. Den snoede struktur kan hjælpe forskere med at udvikle næste generations materialer til solceller, kvantecomputere, lasere og andre enheder.

"Denne struktur er noget, som vi ikke har set før - det var en kæmpe overraskelse for mig," sagde Yi Cui, professor ved Stanford og SLAC og medforfatter til en artikel offentliggjort i Science beskriver arbejdet. "En ny kvanteelektronisk egenskab kan dukke op i denne trelags snoede struktur i fremtidige eksperimenter."

Tilføjelse af lag med et twist

De krystaller, holdet designede, udvidede begrebet epitaksi, et fænomen, der opstår, når en type krystalmateriale vokser oven på et andet materiale på en ordnet måde - lidt som at dyrke en pæn græsplæne oven på jord, men på atomniveau. Forståelse af epitaksial vækst har været afgørende for udviklingen af ​​mange industrier i mere end 50 år, især halvlederindustrien. Faktisk er epitaksi en del af mange af de elektroniske enheder, som vi bruger i dag, fra mobiltelefoner til computere til solpaneler, der tillader elektricitet at strømme – og ikke strømme – gennem dem.

Til dato har epitaksiforskning fokuseret på at dyrke et lag materiale på et andet, og de to materialer har den samme krystalorientering ved grænsefladen. Denne tilgang har været vellykket i årtier i mange applikationer, såsom transistorer, lysemitterende dioder, lasere og kvanteenheder. Men for at finde nye materialer, der yder endnu bedre til mere krævende behov, som f.eks. kvanteberegning, søger forskere efter andre epitaksiale designs – dem, der måske er mere komplekse, men alligevel bedre ydende, derfor "twisted epitaxy"-konceptet, der er demonstreret i denne undersøgelse.

I deres eksperiment tilføjede forskere et lag guld mellem to plader af et traditionelt halvledende materiale, molybdændisulfid (MoS₂ ). Fordi de øverste og nederste ark var orienteret forskelligt, kunne guldatomerne ikke flugte med begge samtidigt, hvilket gjorde det muligt for Au-strukturen at vride sig, sagde Yi Cui, professor Cuis kandidatstuderende i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Stanford og medforfatter af papiret .

"Med kun en nederste MoS₂ lag, er guldet glad for at flugte med det, så der sker ikke noget twist," sagde Cui, kandidatstuderende. "Men med to snoede MoS₂ ark, er guldet ikke sikkert på linje med det øverste eller nederste lag. Vi formåede at hjælpe guldet med at løse dets forvirring og opdagede en sammenhæng mellem orienteringen af ​​Au og snoningsvinklen af ​​dobbeltlags MoS₂ ."

Zappende guld nanodiscs

For at studere guldlaget i detaljer opvarmede forskerholdet fra Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) og LBNL en prøve af hele strukturen til 500 grader Celsius. Derefter sendte de en strøm af elektroner gennem prøven ved hjælp af en teknik kaldet transmissionselektronmikroskopi (TEM), som afslørede morfologien, orienteringen og belastningen af ​​guldnanoskiverne efter udglødning ved de forskellige temperaturer. Måling af disse egenskaber af guldnanoskiverne var et nødvendigt første skridt mod at forstå, hvordan den nye struktur kunne designes til applikationer i den virkelige verden i fremtiden.

"Uden denne undersøgelse ville vi ikke vide, om det overhovedet var muligt at vride et epitaksialt lag af metal oven på en halvleder," sagde Cui, kandidatstuderende. "Måling af den komplette trelagsstruktur med elektronmikroskopi bekræftede, at det ikke kun var muligt, men også at den nye struktur kunne styres på spændende måder."

Dernæst ønsker forskere at studere de optiske egenskaber af guldnanodiskene ved hjælp af TEM og lære, om deres design ændrer fysiske egenskaber som båndstrukturen af ​​Au. De ønsker også at udvide dette koncept til at forsøge at bygge trelagsstrukturer med andre halvledermaterialer og andre metaller.

"Vi begynder at undersøge, om kun denne kombination af materialer tillader dette, eller om det sker mere bredt," sagde Bob Sinclair, professor ved Charles M. Pigott ved Stanfords skole for materialevidenskab og -teknik og medforfatter til papiret. "Denne opdagelse åbner en helt ny serie af eksperimenter, som vi kan prøve. Vi kunne være på vej til at finde helt nye materialeegenskaber, som vi kunne udnytte."

Flere oplysninger: Yi Cui et al., Snoet epitaksi af guld nanodiske dyrket mellem snoede substratlag af molybdændisulfid, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk5947

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af SLAC National Accelerator Laboratory