Ett team ledd av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory undersökte hur atomärt tunna tvådimensionella (2-D) kristaller kan växa över 3-D-objekt och hur krökningen av dessa objekt kan sträcka ut och belasta kristallerna. Resultaten, publiceras i Vetenskapens framsteg , peka på en strategi för att konstruera spänningar direkt under tillväxten av atomärt tunna kristaller för att tillverka enstaka fotonemitters för kvantinformationsbehandling.

Teamet utforskade först tillväxten av de platta kristallerna på substrat mönstrade med vassa steg och diken. Förvånande, kristallerna växte konformt upp och ner för dessa platta hinder utan att ändra deras egenskaper eller tillväxthastigheter. Dock, kurviga ytor krävde att kristallerna sträcktes när de växte för att behålla sin kristallstruktur. Denna tillväxt av 2D-kristaller till den tredje dimensionen gav en fascinerande möjlighet.

"Du kan konstruera hur mycket påfrestning du ger en kristall genom att designa föremål så att de kan växa över, sa Kai Xiao, som tillsammans med ORNL-kollegorna David Geohegan och postdoktorn Kai Wang (nu på Intel) tänkte ut studien. "Strain är ett sätt att göra "hot spots" för enstaka fotonemitters."

Konform tillväxt av perfekta 2-D-kristaller över 3-D-objekt har löftet att lokalisera spänningen för att skapa högfientliga arrayer av enstaka fotonemitters. Att sträcka eller komprimera kristallgittret ändrar materialets bandgap, energigapet mellan valens- och ledningsbanden för elektroner, som till stor del bestämmer ett materials optoelektroniska egenskaper. Använda strain engineering, forskare kan tratta laddningsbärare för att rekombinera exakt där så önskas i kristallen istället för på slumpmässiga defektplatser. Genom att skräddarsy böjda föremål för att lokalisera spänningen i kristallen, och sedan mäta resulterande förskjutningar i optiska egenskaper, experimentalisterna tvingade medförfattare vid Rice University – teoretiker Henry Yu, Nitant Gupta och Boris Yakobson – för att simulera och kartlägga hur krökning inducerar spänning under kristalltillväxt.

På ORNL, Wang och Xiao designade experiment med Bernadeta Srijanto för att utforska tillväxten av 2D-kristaller över litografiskt mönstrade arrayer av nanoskaliga former. Srijanto använde först fotolitografimasker för att skydda vissa områden på en kiseloxidyta under exponering för ljus, och etsade sedan bort de exponerade ytorna för att lämna vertikalt stående former, inklusive munkar, kottar och steg. Wang och en annan postdoktor, Xufan Li (nu vid Honda Research Institute), satte sedan in substraten i en ugn där förångad volframoxid och svavel reagerade för att avsätta volframdisulfid på substraten som enskiktskristaller. Kristallerna växte som ett ordnat gitter av atomer i perfekta triangulära plattor som växte sig större med tiden genom att lägga till rad efter rad med atomer till deras yttre kanter. Medan 2D-kristallerna verkade enkelt vikas som papper över höga trappsteg och vassa diken, tillväxt över böjda föremål tvingade kristallerna att sträcka sig för att behålla sin triangulära form.

Forskarna fann att "munkar" 40 nanometer höga var utmärkta kandidater för enstaka fotonemitters eftersom kristallerna på ett tillförlitligt sätt kunde tolerera belastningen de inducerade, och den maximala belastningen var precis i "hålet" på munken, mätt genom förskjutningar i fotoluminescensen och Raman-spridningen. I framtiden, uppsättningar av munkar eller andra strukturer skulle kunna mönstras var som helst där kvantemittera önskas innan kristallerna odlas.

Wang och ORNL medförfattare Alex Puretzky använde fotoluminescenskartläggning för att avslöja var kristallerna kärnade och hur snabbt varje kant av den triangulära kristallen fortskred när den växte över munkarna. Efter noggrann analys av bilderna, de blev förvånade när de upptäckte att även om kristallerna behöll sina perfekta former, kanterna på kristaller som hade ansträngts av munkar växte snabbare.

För att förklara denna acceleration, Puretzky utvecklade en kristalltillväxtmodell, och kollegan Mina Yoon genomförde första principberäkningar. Deras arbete visade att töjning är mer sannolikt att inducera defekter på den växande kanten av en kristall. Dessa defekter kan multiplicera antalet kärnbildningsställen som sådd kristalltillväxt längs en kant, så att den växer snabbare än tidigare.

Anledningen till att kristaller lätt kan växa upp och ner i djupa diken, men blir ansträngd av grunda munkar, har med konformitet och krökning att göra. Föreställ dig att slå in presenter. Lådor är lätta att slå in eftersom papperet kan vikas för att anpassa sig till formen. Men ett oregelbundet format föremål med kurvor, till exempel en mugg utan förpackning, är omöjligt att slå in konformt (för att undvika att papperet slits sönder, du måste kunna sträcka den som plastfolie.)

2D-kristallerna sträcker sig också för att anpassa sig till substratets kurvor. Så småningom, dock, the strain becomes too great and the crystals split to release the strain, atomic force microscopy and other techniques revealed. After the crystal cracks, growth of the still-strained material proceeds in different directions for each new arm. At Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Zhili Hu performed phase-field simulations of crystal branching. Xiang Gao of ORNL and Mengkun Tian (formerly of the University of Tennessee) analyzed the atomic structure of the crystals by scanning transmission electron microscopy.

"The results present exciting opportunities to take two-dimensional materials and vertically integrate them into the third dimension for next-generation electronics, " said Xiao.

Next the researchers will explore whether strain can enhance the performance of tailored materials. "We're exploring how the strain of the crystal can make it easier to induce a phase change so the crystal can take on entirely new properties, " Xiao said. "At the Center for Nanophase Materials Sciences, we're developing tools that will allow us to probe these structures and their quantum information aspects."

The title of the paper is "Strain tolerance of two-dimensional crystal growth on curved surfaces."