Att stapla lager av nanometertunna halvledande material i olika vinklar är ett nytt tillvägagångssätt för att designa nästa generation av energieffektiva transistorer och solceller. Atomerna i varje lager är ordnade i hexagonala arrayer. När två lager staplas och roteras, atomer från ett lager överlappar de i det andra lagret och kan bilda ett oändligt antal överlappande mönster, som Moiré-mönstren som uppstår när två skärmar läggs över varandra och den ena roteras ovanpå den andra. Teoretiska beräkningar förutsäger utmärkta elektroniska och optiska egenskaper för vissa staplingsmönster, men praktiskt taget hur kan dessa mönster göras och karakteriseras?

Nyligen använde ett team ledd av forskare från Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory vibrationerna mellan två lager för att dechiffrera deras staplingsmönster. Teamet använde en metod som kallas lågfrekvent Raman-spektroskopi för att mäta hur lagren vibrerar i förhållande till varandra och jämförde frekvenserna för de uppmätta vibrationerna med deras teoretiskt förutsagda värden. Deras studie ger en plattform för att konstruera tvådimensionella (2D) material med optiska och elektroniska egenskaper som starkt beror på staplingskonfigurationer. Resultaten publiceras i ACS Nano , en tidskrift från American Chemical Society.

"Lågfrekvent Raman-spektroskopi, i kombination med modellering med första principer, erbjuder en snabb och enkel metod för att avslöja komplexa staplingskonfigurationer i de vridna dubbelskikten i en lovande halvledare, utan att förlita sig på andra dyra och tidskrävande experimentella tekniker, " sa medförfattaren Liangbo Liang, en Wigner Fellow på ORNL. "Vi är de första som visar att lågfrekventa Raman-spektra kan användas som fingeravtryck för att karakterisera den relativa lagerstaplingen i halvledande 2D-material."

I Raman-spridningen, en optisk metod för att sondera atomvibrationer, ett material sprider monokromatiskt ljus från en laser. Medan konventionell Raman-spektroskopi kan undersöka mer än cirka 3 biljoner atomvibrationer per sekund, lågfrekvent Raman-spektroskopi upptäcker vibrationer som är en storleksordning långsammare. Lågfrekvenstekniken är känslig för svaga attraktionskrafter mellan lager, kallad van der Waals-koppling. Det kan ge avgörande insikt om lagertjocklek och stapling – aspekter som styr grundläggande egenskaper hos 2D-material.

"Detta arbete kombinerar toppmodern syntes och bearbetning av 2D-material, deras unika spektroskopiska karaktärisering, och datatolkning med hjälp av teorin om första principer, " sa medförfattaren Alex Puretzky. "Högupplöst Raman-spektroskopi som kan undersöka lågfrekventa lägen kräver specialiserad instrumentering, och bara ett fåtal platser runt om i världen har en sådan förmåga tillsammans med avancerade syntes- och karaktäriseringsverktyg, och expertis inom teori och beräkningsmodellering. Center for Nanophase Materials Sciences vid ORNL är bland dem."

Kemisk ångavsättning, allmänt använt för att syntetisera 2D-material som grafen, användes för att göra perfekt triangulära kristallmonoskikt av molybdendiselenid bara tre atomer tjocka. Råmaterialmolekyler av molybdenoxid och svavel reagerade i en strömmande gas i en högtemperaturugn för att bilda de triangulära kristallerna på kiselsubstrat.

"Många parametrar måste justeras ordentligt för att syntetisera stora, triangulära 2D-kristaller framgångsrikt, " sade Puretzky. "Då, Att försiktigt ta bort kristallerna och stapla dem exakt i olika orienteringar är en stor utmaning."

Han fortsatte, "Det exakta, liksidig triangulär form av de syntetiserade och överförda kristallerna gjorde det möjligt för oss att mäta vridningsvinklarna med hög precision med hjälp av vanliga optiska och atomkraftsmikroskopbilder, vilket var en nyckelfaktor i våra experiment."

Teoretiska och beräkningsaspekter var också utmanande. "Ramanspektroskopi är starkt baserad på teori för tolkning och tilldelning av de observerade Ramanspektra, speciellt för nya material som aldrig tidigare har mätts, sa Puretzky.

Studien avslöjade mönster i de staplade dubbelskikten som starkt beror på vridningsvinkeln. Några specifika vridningsvinklar, fastän, visade periodiskt upprepade lappar med samma staplingsorientering. "Dessa unika mönster kan ge en ny plattform för optoelektroniska tillämpningar av dessa material, sa Puretzky.

Teamets resultat visade också fascinerande effekter av vibrationerna mellan lagren. Eftersom olika staplingsmönster dök upp när skikten förflyttades, variabla avstånd förekom mellan skikten vid vissa specifika vridningsvinklar. Forskarna planerar ytterligare mätningar och modellering för olika staplingskonfigurationer för att bättre förstå hur dessa vibrationsavfall kan förändra de termiska egenskaperna hos dessa material - kunskap som kan påverka tillämpningar inom värmeavledning och termoelektrisk energiomvandling.