Epitaxy, eller växande kristallina filmskikt som formas av ett kristallint substrat, är en grundpelare för tillverkning av transistorer och halvledare. Om materialet i ett deponerat lager är detsamma som materialet i nästa lager, det kan vara energiskt gynnsamt för starka band att bildas mellan de högordnade, perfekt matchade lager. I kontrast, Att försöka lagra olika material är en stor utmaning om kristallgallren inte matchar lätt. Sedan, svaga van der Waals krafter skapar attraktion men bildar inte starka bindningar mellan olika lager.

I en studie som leds av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, forskare syntetiserade en bunt atomiskt tunna monoskikt av två gitter som inte matchar halvledare. Ett, gallium selenid, är en "p-typ" halvledare, rika laddningsbärare som kallas "hål". Den andra, molybden diselenid, är en "n-typ" halvledare, rik på elektronladdningsbärare. Där de två halvledarlagren möttes, de bildade en atomiskt skarp heterostruktur som kallas en p-n-korsning, som genererade ett fotovoltaiskt svar genom att separera elektronhålspar som genererades av ljus. Uppnåendet att skapa denna atomiskt tunna solcell, publicerad i Vetenskapliga framsteg , visar löftet att syntetisera felaktiga lager för att möjliggöra nya familjer av funktionella tvådimensionella (2D) material.

Tanken att stapla olika material ovanpå varandra är inte ny i sig. Faktiskt, det är grunden för de flesta elektroniska enheter som används idag. Men sådan stapling fungerar vanligtvis bara när de enskilda materialen har kristallgitter som är mycket lika, d.v.s. de har en bra "gittermatch". Det är här denna forskning bryter ny mark genom att odla högkvalitativa lager av mycket olika 2D-material, bredda antalet material som kan kombineras och därmed skapa ett bredare utbud av potentiella atomtunna elektroniska enheter.

"Eftersom de två lagren hade en så stor ojämlikhet mellan gitterna mellan dem, det är mycket oväntat att de skulle växa på varandra på ett ordnat sätt, "sa Xufan Li från ORNL, huvudförfattare till studien. "Men det fungerade."

Gruppen var den första som visade att monoskikt av två olika typer av metallkalkogenider - binära föreningar av svavel, selen eller tellur med ett mer elektropositivt element eller radikal - med så olika gitterkonstanter kan odlas ihop för att bilda ett perfekt inriktat staplingsdubbelskikt. "Det är nytt, potentiell byggsten för energieffektiv optoelektronik, "Sa Li.

När de karaktäriserade deras nya tvåskiktiga byggsten, forskarna fann att de två felaktiga skikten hade självmonterats till en upprepande långdistansatomordning som direkt kunde visualiseras av Moiré-mönstren som de visade i elektronmikroskopet. "Vi blev förvånade över att dessa mönster anpassade sig perfekt, "Sa Li.

Forskare i ORNL:s Functional Hybrid Nanomaterials -grupp, ledd av David Geohegan, genomförde studien med partners vid Vanderbilt University, University of Utah och Beijing Computational Science Research Center.

"Dessa nya 2D felaktiga skiktade heterostrukturer öppnar dörren till nya byggstenar för optoelektroniska applikationer, "sa seniorförfattaren Kai Xiao från ORNL." De kan låta oss studera nya fysikegenskaper som inte kan upptäckas med andra 2D -heterostrukturer med matchade gitter. De erbjuder potential för ett brett spektrum av fysiska fenomen, allt från gränssnittsmagnetism, supraledning och Hofstadters fjärilseffekt. "

Li odlade först ett monoskikt av molybden -diselenid, och odlade sedan ett lager galliumselenid ovanpå. Denna teknik, kallad "van der Waals epitaxy, "är uppkallat efter de svaga attraktionskrafterna som håller ihop olika lager." Med van der Waals epitaxy, trots stora gittermatchningar, du kan fortfarande växa ytterligare ett lager på det första, "Sade Li. Med hjälp av skanningselektronmikroskopi, laget präglade materialens atomstruktur och avslöjade bildandet av Moiré -mönster.

Forskarna planerar att genomföra framtida studier för att utforska hur materialet anpassar sig under tillväxtprocessen och hur materialkomposition påverkar egenskaper utöver det fotovoltaiska svaret. Forskningen går framåt för att införliva 2D -material i enheter.

Under många år, skiktning av olika föreningar med liknande gittercellstorlekar har studerats i stor utsträckning. Olika element har införlivats i föreningarna för att producera ett brett spektrum av fysikaliska egenskaper relaterade till supraledning, magnetism och termoelektrisk. Men skiktning av 2D -föreningar med olika gittercellstorlekar är praktiskt taget outforskat territorium.

"Vi har öppnat dörren för att utforska alla typer av felaktiga heterostrukturer, "Sa Li.

Papperets titel är "Tvådimensionella GaSe/MoSe2-felaktiga tvålagers heterojunctions av van der Waals epitaxy."