Den direkta 3D-2D strukturella fasövergången inducerades i (Pb1?xSnx)Se-legeringsepitaxialfilmer genom att använda en icke-jämviktstillväxtteknik. Reversibel gigantisk elektronisk egenskapsförändring uppnåddes vid x ~ 0,5 med ursprung i den abrupta bandstruktursväxlingen från gaplöst Dirac-liknande tillstånd till halvledande tillstånd. Kredit:Tokyo Tech
De elektroniska egenskaperna hos fasta material är starkt beroende av kristallstrukturer och deras dimensioner (d.v.s. om kristallerna har övervägande 2D- eller 3D-strukturer). Som professor Takayoshi Katase vid Tokyo Institute of Technology noterar, detta faktum har en viktig följd:"Om kristallstrukturens dimensionalitet kan ändras reversibelt i samma material, en drastisk egenskapsförändring kan vara kontrollerbar." Denna insikt ledde till att professor Katase och hans forskargrupp vid Tokyo Institute of Technology, i samarbete med medarbetare vid Osaka University och National Institute for Materials Science, att påbörja forskning om möjligheten att ändra kristallstrukturens dimensionalitet hos en bly-tenn-selenidlegering halvledare. Deras resultat visas i ett papper som publicerats i en ny utgåva av den peer-reviewed tidskriften Vetenskapens framsteg .
Bly-tenn-selenidlegeringen, (Pb 1-x Sn x )Se är ett lämpligt fokus för sådan forskning eftersom blyjonerna (Pb 2+ ) och tennjoner (Sn 2+ ) föredrar distinkta kristalldimensionaliteter. Specifikt, ren blyselenid (PbSe) har en 3D-kristallstruktur, medan ren tennselenid (SnSe) har en 2D-kristallstruktur. SnSe har ett bandgap på 1,1 eV, liknande den konventionella halvledaren Si. Under tiden, PbSe har ett smalt bandgap på 0,3 eV och visar 1 storleksordning högre bärarrörlighet än SnSe. Särskilt, 3D (Pb 1-x Sn x )Se har fått stor uppmärksamhet som topologisk isolator. Det är, ersättningen för Pb med Sn i 3D PbSe minskar bandgapet och producerar slutligen ett gapfritt Dirac-liknande tillstånd. Därför, om dessa kristallstrukturdimensionalitet kan ändras av yttre påkänningar såsom temperatur, det skulle leda till en gigantisk funktionell fasövergång, såsom stor elektronisk konduktivitetsförändring och topologisk tillståndsövergång, förstärkt av de distinkta elektroniska strukturförändringarna.
De legerande PbSe och SnSe skulle manipulera den drastiska övergången i struktur, och sådant (Pb 1-x Sn x )Se-legering bör inducera stark frustration kring fasgränser. Dock, det finns ingen direkt fasgräns mellan 3D PbSe och 2D SnSe faserna under termisk jämvikt. Genom sina experiment, Prof. Katase och hans forskargrupp utvecklade framgångsrikt en metod för att odla de icke-jämviktiga bly-tenn-selenidlegeringskristallerna med lika mängder Pb 2+ och Sn 2+ joner (dvs. (Pb 0,5 Sn 0,5 )Se) som genomgick direkta strukturella fasövergångar mellan 2D- och 3D-former baserat på temperatur. Vid lägre temperaturer, 2D-kristallstrukturen dominerade, medan vid högre temperaturer, 3D-strukturen dominerade. 2D-kristallstrukturen med låg temperatur var mer motståndskraftig mot elektrisk ström än vad 3D-kristallen med hög temperatur var, och när legeringen värmdes upp, dess resistivitetsnivåer tog ett kraftigt dyk kring de temperaturer vid vilka dimensionalitetsfasövergången inträffade. Den föreliggande strategin underlättar omkoppling av olika strukturdimensionalitet och ytterligare funktionsegenskapsomkoppling i halvledare som använder artificiell fasgräns.
Kortfattat, forskargruppen utvecklade en form av halvledarlegeringen (Pb 1-x Sn x )Se som genomgår temperaturberoende fasövergångar av kristalldimensionalitet, och dessa övergångar har stora konsekvenser för legeringens elektroniska egenskaper. På frågan om vikten av hans teams arbete, Prof. Katase noterar att denna form av (Pb 1-x Sn x )Se-legering kan "fungera som en plattform för grundläggande vetenskapliga studier såväl som utvecklingen av nya funktioner i halvledarteknologier." Denna specialiserade legering kan, därför, leda till spännande ny halvledarteknologi med otaliga fördelar för mänskligheten.
