Onderzoekers kweken een gedraaide meerlaagse kristalstructuur voor materialen van de volgende generatie

Onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy, Stanford University en het Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) van het DOE hebben voor het eerst een gedraaide meerlaagse kristalstructuur gekweekt en de belangrijkste eigenschappen van de structuur gemeten. De gedraaide structuur zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwikkelen van materialen van de volgende generatie voor zonnecellen, kwantumcomputers, lasers en andere apparaten.

“Deze structuur is iets dat we nog niet eerder hebben gezien – het was een enorme verrassing voor mij”, zegt Yi Cui, een professor aan Stanford en SLAC en co-auteur van een papier gepubliceerd in Wetenschap het werk beschrijven. “In toekomstige experimenten zou een nieuwe kwantumelektronische eigenschap kunnen verschijnen binnen deze drielaagse, gedraaide structuur.”

Lagen toevoegen, met een twist

De kristallen die het team ontwierp breidden het concept van epitaxie uit, een fenomeen dat optreedt wanneer het ene type kristalmateriaal op een geordende manier bovenop een ander materiaal groeit, net zoals het laten groeien van een netjes gazon op de grond, maar dan op atomair niveau. Het begrijpen van epitaxiale groei is al meer dan vijftig jaar van cruciaal belang voor de ontwikkeling van veel industrieën, met name de halfgeleiderindustrie. Epitaxie maakt inderdaad deel uit van veel van de elektronische apparaten die we tegenwoordig gebruiken, van mobiele telefoons tot computers en zonnepanelen, waardoor elektriciteit er doorheen kan stromen (en niet stromen).

Tot nu toe heeft epitaxieonderzoek zich geconcentreerd op het laten groeien van de ene laag materiaal op de andere, en de twee materialen hebben dezelfde kristaloriëntatie op het grensvlak. Deze aanpak is al tientallen jaren succesvol in veel toepassingen, zoals transistors, lichtgevende diodes, lasers en kwantumapparaten. Maar om nieuwe materialen te vinden die nog beter presteren voor veeleisendere behoeften, zoals kwantumcomputers, zoeken onderzoekers naar andere epitaxiale ontwerpen – ontwerpen die misschien complexer zijn, maar toch beter presteren, vandaar het ‘verwrongen epitaxie’-concept dat in dit onderzoek wordt gedemonstreerd.

In hun experiment voegden onderzoekers een laag goud toe tussen twee platen van een traditioneel halfgeleidend materiaal, molybdeendisulfide (MoS₂). Omdat de bovenste en onderste lagen verschillend georiënteerd waren, konden de goudatomen niet tegelijkertijd met beide uitgelijnd worden, waardoor de Au-structuur kon verdraaien, zei Yi Cui, professor Cui’s afgestudeerde student materiaalkunde en techniek aan Stanford en co-auteur van het artikel. .

“Met alleen een onderste MoS₂ laag, het goud past zich er graag mee aan, dus er vindt geen twist plaats”, zegt Cui, de afgestudeerde student. “Maar met twee gedraaide MoS₂ vellen, het goud is niet zeker uitgelijnd met de bovenste of onderste laag. We zijn erin geslaagd het goud te helpen zijn verwarring op te lossen en ontdekten een verband tussen de oriëntatie van Au en de draaihoek van dubbellaags MoS₂.”

Gouden nanoschijven zappen

Om de goudlaag in detail te bestuderen, verwarmde het onderzoeksteam van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) en LBNL een monster van de hele structuur tot 500 graden Celsius. Vervolgens stuurden ze een stroom elektronen door het monster met behulp van een techniek genaamd transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), die de morfologie, oriëntatie en spanning van de gouden nanoschijven onthulde na uitgloeien bij de verschillende temperaturen. Het meten van deze eigenschappen van de gouden nanoschijven was een noodzakelijke eerste stap om te begrijpen hoe de nieuwe structuur in de toekomst zou kunnen worden ontworpen voor toepassingen in de echte wereld.

“Zonder deze studie zouden we niet weten of het überhaupt mogelijk was om een ​​epitaxiale laag metaal bovenop een halfgeleider te draaien”, zegt Cui, de afgestudeerde student. “Het meten van de volledige drielaagse structuur met elektronenmicroscopie bevestigde dat dit niet alleen mogelijk was, maar ook dat de nieuwe structuur op opwindende manieren kon worden gecontroleerd.”

Vervolgens willen onderzoekers de optische eigenschappen van de gouden nanoschijven verder bestuderen met behulp van TEM en ontdekken of hun ontwerp de fysieke eigenschappen zoals de bandstructuur van Au verandert. Ze willen dit concept ook uitbreiden om te proberen drielaagse structuren te bouwen met andere halfgeleidermaterialen en andere metalen.

“We beginnen te onderzoeken of alleen deze combinatie van materialen dit mogelijk maakt of dat het breder gebeurt”, zegt Bob Sinclair, de Charles M. Pigott Professor aan de Stanford School of Materials Science and Engineering en co-auteur van het artikel. “Deze ontdekking opent een hele nieuwe reeks experimenten die we kunnen proberen. We zouden op weg kunnen zijn om geheel nieuwe materiaaleigenschappen te vinden die we kunnen exploiteren.”