Tillsätt bara svavel.

Nebraska-ingenjörerna Peter och Eli Sutter har visat att den elementära kryddan kan piffa upp en nanomaterialsmörgås genom att sätta en bokstavlig twist på den flerskiktiga klassikern.

Den vändningen, en 30-graders rotation av varje atomärt tunt lager i förhållande till det under det, kan hjälpa till att liva upp tekniska menyer på femstjärniga laboratorier över hela världen:framväxande elektroniska eller optiska egenskaper, högre hastighet, mer funktionalitet på mindre utrymme.

Trots allt, du är min van der Waals

Under större delen av ett decennium, ingenjörer har skapat och testat recept för så kallade van der Waals-heterostrukturer:staplar av atomärt tunna kristalllager som kan sekvenseras precis så. Jämfört med en homostruktur - den nanoskopiska motsvarigheten till en skiva skinka - kan en heterostruktur innehålla skivor av pastrami, pepperoni och pepparjacka, allt hålls samman av de svaga van der Waals-krafterna bland angränsande atomlager.

"Denna stapling öppnar många möjligheter, eftersom det tillåter oss att blanda och matcha ett stort bibliotek av tillgängligt material, sa Peter, professor i elektro- och datateknik.

Ingenjörer upptäckte snart att mångfalden kunde odla tekniskt intressanta egenskaper, ofta i de regioner där två olika material möts, som annars är svåra eller omöjliga att återskapa. Sedan, några år sedan, forskare började utforska effekterna av att rotera lagren i van der Waals-staplar. Den felinställningen av lager, de hittade, kan också ge intressanta resultat – att förvandla ett material till en supraledare, till exempel, eller ändra hur en halvledare avger ljus.

Men prestationen kom inför en betydande utmaning:Trots van der Waals styrkors svaghet, intilliggande lager föredrar starkt att förbli i linje. Att manuellt stapla lager ett efter ett kan lösa problemet men kräver extrem precision och, mer viktigt, tid som storskaliga tillverkare av småskalig teknik helt enkelt inte har.

"Det är inte skalbart på något (meningsfullt) sätt, sa Eli, professor i maskin- och materialteknik. "Om man vill utveckla applikationer baserade på vridna van der Waals-stackar, det är omöjligt att föreställa sig fabriksarbetare som sitter där och ordnar dessa bitar, för hand, ovanpå varandra.

"Man måste manuellt stapla en liten flinga i taget. För att bygga en enhet, det kanske kan fungera. För att bygga 10, kanske är det (bara) tråkigt. Men mer än så är definitivt utom räckhåll."

Så Sutters, tillsammans med kollegor från Aalto University och University of Wyoming, bestämde sig för att prova en annan taktik:att direkt syntetisera vridna stackar. Hantera det, fastän, innebar att övervinna en grundläggande princip för tunnfilmstillväxt:tendensen för varje tillsatt skikt att ärva sin orientering från den underliggande kristallen.

"Vi trodde att om vi först kunde odla någon annan kristall som sedan skulle förvandlas till den önskade, då kanske den här mellankristallen, snarare än det underliggande substratet, kan diktera orienteringen för slutprodukten, " sa Peter.

De började med ett stöd av tenndisulfid, en förening som har två svavelatomer för varje tennatom och är användbar som en skiktad halvledare. Efter att ha odlat ett atomärt tunt lager av tennmonosulfid - en svavelatom, en burk - på tenndisulfidbasen, laget mättade den tennmonosulfiden med en svavelånga.

Som förväntat, tennmonosulfiden omvandlas spontant till tenndisulfid. Men eftersom tennmonosulfidkristaller växer i ett rektangulärt gitter - i motsats till den hexagonala konfigurationen av tenndisulfid - antog gittret i det nyligen transformerade andra lagret en 30-graders vridning i förhållande till den bärande kristallen. Och när forskarna upprepade processen, det tredje lagret tog sin ledning från det andra, roterar 30 grader i förhållande till den och 60 grader i förhållande till den första.

För att visa att tillvägagångssättet är generaliserbart, laget uppnådde samma bedrift efter att ha ersatt tenndisulfidsubstratet med två andra van der Waals-halvledare, molybdendisulfid och volframdisulfid.

Nästa generations gap

Vridna heterostrukturer visar särskilt lovande för att modifiera en väsentlig aspekt av atomärt tunna halvledare:deras bandgap. Elektronerna i halvledare har var och en en viss mängd energi - inom ett område av distinkta energivärden som kallas valensbandet - när de lämnas ostörda. När upphetsad av värme eller ljus, dessa elektroner hoppar till en rad högre energivärden – ledningsbandet – som gör att de kan flöda som elektricitet. Gapet mellan dessa två band, eller bandgap, hjälper till att diktera hur halvledarmaterial leder elektrisk ström och absorberar eller avger ljus.

"Så några mycket intressanta egenskaper kan dyka upp om du spelar det här vridna spelet, " sa Peter.

Samma vridning som skulle kunna informera nästa generations mikro- och optoelektronik frammanar också mosaikerna från det antika Rom och islam, han sa, skapa ett kvasikristallint kakelmönster som fyller utrymmet inte genom att periodiskt upprepa samma grundenhet, som vanliga kristaller gör, men genom att ge flera komplementära former.

Även om den vridningen representerar en seger över van der Waals tendens mot anpassning, Peter sa, Att bemästra vridna heterostrukturer innebär fortfarande enorma utmaningar.

"Det är en början, " sa han om lagets framsteg. "Det är inte helt tillfredsställande ännu, för vi kan inte, till exempel, (välj) den vridningsvinkel vi vill ha.

— Men det är åtminstone inte noll grader längre.