En bild av ett scanningstransmissionselektronmikroskop avslöjar ett vackert periodiskt mönster (kallat ett "moirémönster") som härrör från det epitaxiella kromtellurid/volframdiselenid-supergittret; ovanpå ligger supergittrets atommodell. Kredit:Mengying Bian och Liang Zhu
Forskare har odlat tunna filmer av två olika kristallina material ovanpå varandra med hjälp av en innovativ teknik som kallas "dativ epitaxi". Forskarna upptäckte metoden med överraskning.
Som fysikern Hao Zeng vid universitetet vid Buffalo förklarar, håller dativapitaxi samman lager av olika material via en svag attraktionskraft mellan materialen, parat med enstaka kemiska bindningar som kallas "dativbindningar."
"Jag jämför det här med att lägga ner trägolv i ditt hem", säger Zeng, professor i fysik vid UB College of Arts and Sciences. "Du sätter in några spikar för att förankra träplankorna på ytan. Dativbindningarna är som dessa spikar."
Forskningen är spännande, säger Zeng, eftersom nya sätt att skikta filmer "kan få långtgående effekter inom områdena halvledare, kvantteknologi och förnybar energi."
Zeng och kollegor rapporterar om dativepitaxi i en marstidning i Advanced Materials .
En "slumpmässig" upptäckt
"Vi började inte med idén om dativ epitaxi," säger Zeng. "Jag skulle säga att det var en slumpmässig upptäckt. Till en början försökte vi odla atomärt tunna magneter på ett lager av van der Waals-material, som fungerar som en mall för att främja 2D-tillväxt."
Som en del av denna magnettillverkning odlade Bian, en postdoktoral forskare i fysik vid UB, ett supertunt lager av kromtellurid ovanpå ett supertunt "monolager" av volframdiselenid.
En mikroskopbild visar många supertunna kromtelluridkristaller odlade ovanpå volframdiselenid. Kristallernas snygga inriktning mot varandra är en indikation på dativ epitaxi, metoden genom vilken kristallerna odlades. Kredit:Mengying Bian
Forskarna trodde att de två filmerna endast skulle hållas samman av en svag attraktion mellan materialen, känd som van der Waals-kraften. Men en titt under mikroskopet avslöjade något oväntat.
"När Mengying kom in på kontoret och visade mig den här mycket fina mikroskopbilden insåg vi direkt att det var något ovanligt", minns Zeng. "Kristallerna såg ut som om de var perfekt inriktade med varandra, och den här typen av perfekt inriktning antydde att det kanske inte var van der Waals epitaxi vi förväntade oss. I van der Waals epitaxi kan orienteringen av skikt inte kontrolleras särskilt exakt eftersom lagren interagerar inte starkt med varandra."
Efter ytterligare experimentell och teoretisk analys, i samarbete med Renat Sabirianov, Ph.D., vid University of Nebraska i Omaha, drog forskarna slutsatsen att förutom van der Waals-styrkan kopplade "sporadiska" dativbindningar ihop de två filmerna.
Sedan kom ytterligare en överraskning. När Zeng sökte efter befintlig litteratur om dativepitaxi, fann han bara en:ett nyligen teoretiskt arbete som förutsäger dativbindningsförstärkt van der Waals epitaxi. Studien leddes – återigen, serendipitously – av hans långvariga medarbetare vid Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "var mycket glad över att höra att vår experimentella upptäckt bekräftade hans hypotes", säger Zeng.
'Guldlocksprincipen' för epitaxi
UB has filed a provisional patent application for dative epitaxy methods, and is looking to expand on this research through collaboration with industry and research partners. Zeng and Bian say the technique represents a "Goldilocks principle" when it comes to layering crystalline films.
UB physics postdoctoral researcher Mengying Bian works with a dual chamber thin film deposition system. Credit:Douglas Levere / University at Buffalo
Epitaxy involves growing one crystalline material on another crystalline substrate, with a well-defined orientation relationship between them. Conventional epitaxy requires that two materials share similar lattice spacing, which has to do with the distance between atoms. Van der Waals epitaxy overcomes this hurdle but can lead to crystals growing in the wrong direction.
"Dative epitaxy circumvents the stringent lattice-matching requirements in conventional epitaxy, while also taking advantage of the formation of special chemical bonds to fix crystal orientation," Bian says.
"Dative epitaxy could allow a broader range of materials to be grown. It really gives people a lot of flexibility and choice," Zeng says. "It's the Goldilocks principle in epitaxy:It captures the benefits of conventional and van der Waals epitaxial techniques, but addresses the drawbacks of both."
Given these advantages, Zeng says, their "technique could open the door to high-quality epitaxial growth of a variety of compound semiconductor thin films, such as, potentially, gallium arsenide or gallium nitride on silicon wafers. Integrating these materials are super important to the semiconductor industry, which has been a longstanding challenge due to the limitations of other forms of epitaxy." + Utforska vidare
