Att stapla extremt tunna materialfilmer ovanpå varandra kan skapa nya material med spännande nya egenskaper. Men de mest framgångsrika processerna för att bygga dessa stackar kan vara tråkiga och ofullkomliga, och inte väl lämpad för storskalig produktion.

Nu har ett team ledd av Stanford Professor Hemamala Karunadasa skapat ett mycket enklare och snabbare sätt att göra det. De odlade 2D-lager av ett av de mest eftertraktade materialen, känd som perovskites, sammanflätade med tunna lager av andra material i stora kristaller som sätter ihop sig själva.

Monteringen sker i flaskor där de kemiska ingredienserna till lagren tumlar runt i vatten, tillsammans med skivstångsformade molekyler som styr handlingen. Varje ände av en skivstång har en mall för att odla en typ av lager. När lagren kristalliseras - en process som liknar att göra stengodis - länkar skivstångarna automatiskt ihop dem i rätt ordning.

"Det som är riktigt coolt är att dessa komplexa skiktade material spontant kristalliserar, sa Michael Aubrey, som var postdoktor i Karunadasas labb vid tidpunkten för studien.

Forskarna säger att deras metod lägger grunden för att göra ett brett spektrum av komplexa halvledare på ett mycket mer medvetet sätt, inklusive kombinationer av material som inte har varit kända för att para ihop i kristaller tidigare. De beskrev arbetet i en tidning publicerad i Natur i dag.

"Vi är ganska glada över denna allmänna strategi som kan utökas till så många typer av material, "sa Karunadasa, som är utredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory.

"Istället för att manipulera material ett lager i taget, " Hon sa, "vi kastar bara jonerna i en kastrull med vatten och låter jonerna sättas ihop som de vill. Vi kan göra gram av det här, och vi vet var atomerna finns i kristallerna. Denna precisionsnivå låter mig veta hur gränssnitten mellan lagren verkligen ser ut, vilket är viktigt för att bestämma materialets elektroniska struktur - hur dess elektroner beter sig"

Enkelt att göra, svårt att stapla

Halidperovskiter - material som har samma oktaedriska struktur som naturligt förekommande perovskitmineraler - har satts samman i vatten sedan 1900-talet, Sa Aubrey. De har stor potential för att effektivt absorbera solljus i solceller och omvandla det till elektricitet, men de är också notoriskt instabila, speciellt i det varma, briljant upplysta miljöer som solceller fungerar i.

Att skikta perovskiter med andra material kan kombinera deras egenskaper på ett sätt som förbättrar deras prestanda i specifika tillämpningar. Men en ännu mer spännande utsikt är att helt nya och oväntade egenskaper kan dyka upp vid gränssnitten där lager möts; till exempel, forskare har tidigare upptäckt att stapling av tunna filmer av två olika typer av isolatorer kan skapa en elektrisk ledare.

Det är svårt att förutsäga vilka kombinationer av material som kommer att visa sig vara intressanta och användbara. Vad mer, att tillverka tunt skiktade material har gått långsamt, mödosam process. Lager tillverkas vanligtvis genom att skala filmer som bara är en eller två atomer tjocka, en i taget, från en större del av material. Det är så grafen görs av grafit, en ren form av kol som används i blyertspennor. I andra fall, dessa tunt skiktade material tillverkas i små partier vid mycket höga temperaturer.

"Sättet de har tillverkats på har inte varit skalbart och ibland till och med svårt att reproducera från en sats till en annan, ”, sade Karunadasa. ”Att skala av lager som är bara en eller två atomer tjocka är specialiserat arbete; det är inget du och jag bara kan gå in på labbet och göra. Dessa ark är som en mycket flexibel kortlek; när du tar ut en, det kan skrynklas eller spännas. Så det är svårt att veta den exakta strukturen för den sista stacken. Det finns väldigt lite prejudikat för material som ser ut som de vi skapade i den här studien."

Stengodissyntes

Detta arbete växte fram ur forskning av studiens medförfattare Abraham Saldivar Valdes, en doktorand i Karunadasas grupp på den tiden. Under flera år, han utvecklade den nya metoden för att få de skiktade strukturerna att montera sig själva, som utökades ytterligare av doktoranden Bridget Connor. Under tiden, Aubrey upptäckte att deras atomärt tunna lager hade samma struktur som 3D-block av liknande material vars egenskaper redan var kända, och han spårade hur de två olika skikten måste snedvrida något för att dela ett gränssnitt. Han studerade också slutprodukternas optiska egenskaper med hjälp av doktoranden Kurt Lindquist.

Att skapa de skiktade strukturerna "är exakt samma process som att göra stengodis, där du tappar en träpinne i mättad sockerlösning och godiskristallerna fröar sig själva på pluggen, " Sa Aubrey. "Men i det här fallet är utgångsmaterialen annorlunda och du behöver ingen plugg - kristaller kommer att börja bildas i vatten eller på ytan av glasflaskan."

Teamet tillverkade sex av de självmonterade materialen, interfoliera perovskiter med metallhalider eller metallsulfider, och undersökte dem med röntgenstrålar vid Advanced Light Source vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory.

I de flesta strukturer, skivstångsmolekylerna höll lagren något isär. Men i en av dem förde skivstångsmolekylerna skikten direkt i kontakt med varandra så att de kunde bilda kemiska bindningar.

"Vi är särskilt glada över den här typen av struktur där skikten är sammankopplade eftersom det kan leda till framväxande egenskaper, som elektroniska excitationer som är fördelade över båda lagren, "Sa Karunadasa.

"Och i det här speciella fallet, när vi träffar materialet med ljus för att fria elektroner och skapar positivt laddade hål, vi hittade elektronerna mestadels i en typ av lager och hålen mestadels i det andra. Detta är viktigt inom vårt område, eftersom det låter dig ställa in dessa två miljöer för att få det elektroniska beteende du vill ha."

Med den nya tekniken i hand, Aubrey sa, "Vi gör en hel del utforskning nu för att upptäcka vilka typer av strukturer som kan göras med den."