La epitaxia, o el crecimiento de capas de película cristalina que son moldeadas por un sustrato cristalino, es un pilar de la fabricación de transistores y semiconductores. Si el material en una capa depositada es el mismo que el material en la siguiente capa, puede ser energéticamente favorable parafuertes lazos entre las capas altamente ordenadas y perfectamente combinadas. Por el contrario, tratar de estratificar materiales diferentes es un gran desafío si las redes cristalinas no se combinan fácilmente. Entonces, las fuerzas débiles de Van der Waals crean atracción pero no se formanfuertes lazos entre capas diferentes
En un estudio dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, los científicos sintetizaron una pila de monocapas atómicamente delgadas de dos semiconductores que no coinciden con la red. Uno, el seleniuro de galio, es un semiconductor "tipo p", rico en portadores de carga llamado"agujeros". El otro, diselenuro de molibdeno, es un semiconductor de "tipo n", rico en portadores de carga de electrones. Donde las dos capas de semiconductores se unieron, formaron una heteroestructura atómicamente afilada llamada unión pn, que generó una respuesta fotovoltaica separandopares de electrones que fueron generados por la luz. El logro de crear esta célula solar atómicamente delgada, publicado en Avances científicos , muestra la promesa de sintetizar capas que no coinciden para permitir nuevas familias de materiales bidimensionales 2D funcionales.
La idea de apilar diferentes materiales uno encima del otro no es nueva en sí misma. De hecho, es la base para la mayoría de los dispositivos electrónicos en uso hoy en día. Pero dicho apilamiento generalmente solo funciona cuando los materiales individuales tienen redes de cristal que sonmuy similar, es decir, tienen una buena "combinación de celosía". Aquí es donde esta investigación abre nuevos caminos al cultivar capas de alta calidad de materiales 2D muy diferentes, ampliando la cantidad de materiales que se pueden combinar y creando así una gama más amplia depotenciales dispositivos electrónicos atómicamente delgados.
"Debido a que las dos capas tenían un desajuste de celosía tan grande entre ellas, es muy inesperado que crezcan entre sí de manera ordenada", dijo Xufan Li de ORNL, autor principal del estudio. "Pero funcionó".
El grupo fue el primero en mostrar que las monocapas de dos tipos diferentes de calcogenuros metálicos - compuestos binarios de azufre, selenio o teluro con un elemento o radical más electropositivo - que tienen constantes de celosía tan diferentes pueden crecer juntas para formar una perfectabicapa de apilamiento alineada. "Es un componente nuevo y potencial para la optoelectrónica de bajo consumo", dijo Li.
Al caracterizar su nuevo bloque de construcción de dos capas, los investigadores descubrieron que las dos capas no coincidentes se habían autoensamblado en un orden atómico repetitivo de largo alcance que podía visualizarse directamente por los patrones de Moiré que mostraban en el microscopio electrónico. "Nos sorprendióque estos patrones se alinean perfectamente ", dijo Li.
Investigadores del grupo de Nanomateriales Híbridos Funcionales de ORNL, dirigido por David Geohegan, realizaron el estudio con socios de la Universidad de Vanderbilt, la Universidad de Utah y el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing.
"Estas nuevas heteroestructuras en capas 2D no coincidentes abren la puerta a nuevos bloques de construcción para aplicaciones optoelectrónicas", dijo el autor principal Kai Xiao de ORNL. "Pueden permitirnos estudiar nuevas propiedades físicas que no se pueden descubrir con otras heteroestructuras 2D con celosías coincidentesOfrecen potencial para una amplia gama de fenómenos físicos que van desde el magnetismo interfacial, la superconductividad y el efecto mariposa de Hofstadter ".
Li creció primero una monocapa de diselenuro de molibdeno, y luego creció una capa de seleniuro de galio en la parte superior. Esta técnica, llamada "epitaxia de van der Waals", se llama así por las débiles fuerzas atractivas que mantienen juntas capas diferentes ". Con van derLa epitaxia de Waals, a pesar de los grandes desajustes de la red, todavía se puede crecer otra capa en la primera ", dijo Li. Utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido, el equipo caracterizó la estructura atómica de los materiales y reveló la formación de patrones de Moiré.
Los científicos planean realizar estudios futuros para explorar cómo se alinea el material durante el proceso de crecimiento y cómo la composición del material influye en las propiedades más allá de la respuesta fotovoltaica. La investigación avanza en los esfuerzos para incorporar materiales 2D en los dispositivos.
Durante muchos años, la estratificación de diferentes compuestos con tamaños de celdas de celosía similares se ha estudiado ampliamente. Se han incorporado diferentes elementos en los compuestos para producir una amplia gama de propiedades físicas relacionadas con la superconductividad, el magnetismo y la termoeléctrica. Pero la estratificación de compuestos 2D que tienen una red reticular diferenteEl tamaño de las celdas es territorio prácticamente inexplorado.
"Hemos abierto la puerta a la exploración de todo tipo de heteroestructuras desajustadas", dijo Li.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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