En forskargrupp ledd av UCLA-forskare och ingenjörer har utvecklat en metod för att göra nya typer av konstgjorda "supergitter" - material som består av omväxlande lager av ultratunna "tvådimensionella" ark, som bara är en eller några atomer tjocka. Till skillnad från dagens toppmoderna supergitter, där alternerande skikt har liknande atomstrukturer, och därmed liknande elektroniska egenskaper, dessa alternerande lager kan ha radikalt olika strukturer, egenskaper och funktioner, något som inte var tillgängligt tidigare.

Till exempel, medan ett lager av denna nya typ av supergitter kan tillåta ett snabbt flöde av elektroner genom det, den andra typen av skikt kan fungera som en isolator. Denna design begränsar de elektroniska och optiska egenskaperna till enstaka aktiva lager, och förhindrar att de stör andra isolerande lager.

Sådana supergitter kan utgöra grunden för förbättrade och nya klasser av elektroniska och optoelektroniska enheter. Tillämpningarna inkluderar supersnabba och extremt effektiva halvledare för transistorer i datorer och smarta enheter, och avancerade lysdioder och lasrar.

Jämfört med den konventionella lager-för-lager-montering eller tillväxtmetod som för närvarande används för att skapa 2D-superlatt, den nya UCLA-ledda processen för att tillverka supergaller av 2D-material är mycket snabbare och effektivare. Viktigast, den nya metoden ger enkelt superlattices med tiotal, hundratals eller till och med tusentals alternerande lager, vilket ännu inte är möjligt med andra tillvägagångssätt.

Denna nya klass av supergaller alternerar 2D atomkristallark som är mellanrum med molekyler av olika former och storlekar. I själva verket, detta molekylära skikt blir det andra "arket" eftersom det hålls på plats av "van der Waals" krafter, svaga elektrostatiska krafter för att hålla annars neutrala molekyler "fästa" till varandra. Dessa nya supergaller kallas "molekylära superlager med monoskiktiga atomkristaller".

Studien, publiceras i Natur , leddes av Xiangfeng Duan, UCLA -professor i kemi och biokemi, och Yu Huang, UCLA professor i materialvetenskap och teknik vid UCLA Samueli School of Engineering.

"Traditionella halvledarsupergitter kan vanligtvis endast tillverkas av material med mycket liknande gittersymmetri, normalt med ganska liknande elektroniska strukturer, " sa Huang. "För första gången, vi har skapat stabila supergitterstrukturer med radikalt olika lager, ändå nästan perfekta atom-molekylära arrangemang inom varje lager. Denna nya klass av supergitterstrukturer har skräddarsydda elektroniska egenskaper för potentiella tekniska tillämpningar och ytterligare vetenskapliga studier."

En aktuell metod för att bygga ett supergitter är att manuellt stapla de ultratunna lagren ovanpå varandra. Men det här är arbetskrävande. Dessutom, eftersom de flingliknande arken är ömtåliga, det tar lång tid att bygga eftersom många ark kommer att gå sönder under placeringsprocessen. Den andra metoden är att odla ett nytt lager ovanpå det andra, med hjälp av en process som kallas "kemisk ångavsättning". Men eftersom det innebär olika förutsättningar, som värme, tryck eller kemiska miljöer, behövs för att växa varje lager, processen kan resultera i att lagret undertill ändras eller bryts. Denna metod är också arbetskrävande med låg avkastning.

Den nya metoden för att skapa monoskiktiga atomkristallmolekylära supergaller använder en process som kallas "elektrokemisk intercalation, " där en negativ spänning appliceras. Detta injicerar negativt laddade elektroner i 2D-materialet. Sedan, detta lockar positivt laddade ammoniummolekyler in i utrymmena mellan atomskikten. Dessa ammoniummolekyler samlas automatiskt i nya lager i den beställda kristallstrukturen, skapa ett supergaller.

"Tänk på ett tvådimensionellt material som en bunt spelkort, " sa Duan. "Föreställ dig sedan att vi kan få en stor hög med närliggande plastpärlor att sätta in sig själva, i perfekt ordning, mellan varje kort. Det är den analoga idén, men med en kristall av 2D-material och ammoniummolekyler."

Forskarna visade först den nya tekniken med svart fosfor som ett basmaterial för 2D-atomärt kristall. Med hjälp av den negativa spänningen, positivt laddade ammoniumjoner drogs in i basmaterialet, och förde in sig själva mellan de skiktade atomära fosforskikten."

Efter den framgången, teamet infogade olika typer av ammoniummolekyler med olika storlekar och symmetrier i en serie 2D-material för att skapa en bred klass av supergitter. De fann att de kunde skräddarsy strukturerna för de resulterande monolager atomära kristallmolekylära supergittren, som hade en mångfald av önskvärda elektroniska och optiska egenskaper." De resulterande materialen kan vara användbara för att göra snabbare transistorer som förbrukar mindre ström, eller för att skapa effektiva ljusemitterande enheter, sa Duan.