Användningen av tryck för att ändra halvledaregenskaper visar alltmer lovande i applikationer som högpresterande infraröda sensorer och energiomvandlingsenheter. Med ett nytt och okonventionellt kristallgränssnitt, forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute har möjliggjort mer kraftfull och dynamisk inställning av metoden, som de ursprungligen var pionjärer 2015.

"Ett konventionellt sätt att introducera töjning eller tryck i ett funktionellt material är att odla ett sådant material på ett substrat som liknar filmmaterialet i materialkemi men skiljer sig i gitterkonstant. I vårt arbete, vi bröt oss loss från denna konventionella visdom" sa Jian Shi, en biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute.

Forskningen är detaljerad i "Defektkonstruerad epitaxiell VO2±δ i stamkonstruktion av heterogena mjuka kristaller, " publicerad i en ny upplaga av Vetenskapens framsteg .

Tidigare forskning med användning av töjning för att ändra halvledaregenskaper har fokuserat på att utveckla ett koherent epitaxiellt gränssnitt mellan filmen och substratet för att överföra spänningen från substratet till filmen. Till exempel, inom elastisk töjningsteknik, människor odlar germanium på kisel, oxider på oxider, kalkogenider på kalkogenider.

Science Advances-arbetet introducerar ett nytt tillvägagångssätt, avsättning av ett olikt men tekniskt viktigt halvledarmaterial – halogenidperovskit – på ett vanadindioxidsubstrat. Halidperovskit har liten inverkan på kemin hos vanadindioxidsubstrat. Men när de kombineras, vanadindioxiden och halogenidperskoviten bildar en heterogen gränsyta, vilket skulle kunna tillåta spänning att effektivt överföras till halvledarmaterialet.

Forskningen använder ett speciellt konstruerat substrat - vanadindioxid - som är kapabelt till en strukturell fasövergång, vilket betyder att det ändrar struktur under olika temperaturer. Forskarna använder den strukturella fasövergången för att belasta en tunnfilmshalvledare som avsatts på dess yta med hjälp av kemisk ångavsättning.

För att möjliggöra stor påkänning i halvledarskiktet, Yiping Wang, en doktorand i Shis labb, modifierad vanadindioxid, lägga till och ta bort syreatomer från materialet genom att kontrollera partialtrycket av syre under kemisk ångavsättning av vanadindioxiden när den odlas på en safirkristall.

De resulterande "defektkonstruerade" nanoskogsarrayerna av vanadindioxid har en stor strukturell förändring under temperaturstimulans, och kan gå igenom inte en utan tre fasövergångar, vilket gör det möjligt för dem att mer exakt justera mängden tryck som utövas på halvledaren.

Detta okonventionella tillvägagångssätt, visar att den mekaniska mjukheten hos halvledarkristallerna kan vara en nyckel för framgången för stamkonstruktion. Med en mjukare halvledare, ett måttligt gränssnitt, och ett mer dynamiskt substrat, forskarna kunde dynamiskt modifiera halvledarens fysikaliska egenskaper på ett reversibelt sätt på nanoskala. Det levererade trycket visade sig vara tillräckligt stort för att utlösa en strukturell och elektronisk fasövergång i halvledarkristallen. En sådan övergång i denna kristall har visats under högt tryck med hjälp av ett annat men tekniskt opraktiskt tillvägagångssätt.