Forskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University och DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) har odlat en vriden flerskiktskristallstruktur för första gången och mätt strukturens nyckelegenskaper. Den vridna strukturen kan hjälpa forskare att utveckla nästa generations material för solceller, kvantdatorer, lasrar och andra enheter.
"Den här strukturen är något som vi inte har sett tidigare – det var en stor överraskning för mig", säger Yi Cui, professor vid Stanford och SLAC och medförfattare till en artikel publicerad i Science beskriver arbetet. "En ny kvantelektronisk egenskap kan dyka upp i denna trelagers vridna struktur i framtida experiment."
Kristallerna som teamet designade utökade konceptet med epitaxi, ett fenomen som uppstår när en typ av kristallmaterial växer ovanpå ett annat material på ett ordnat sätt - ungefär som att odla en snygg gräsmatta ovanpå jord, men på atomnivå. Att förstå epitaxiell tillväxt har varit avgörande för utvecklingen av många industrier i mer än 50 år, särskilt halvledarindustrin. Faktum är att epitaxi är en del av många av de elektroniska enheter som vi använder idag, från mobiltelefoner till datorer till solpaneler, vilket tillåter elektricitet att flöda – och inte flöda – genom dem.
Hittills har epitaxiforskning fokuserat på att odla ett lager av material på ett annat, och de två materialen har samma kristallorientering vid gränssnittet. Detta tillvägagångssätt har varit framgångsrikt i decennier i många applikationer, såsom transistorer, lysdioder, lasrar och kvantenheter. Men för att hitta nya material som presterar ännu bättre för mer krävande behov, som quantum computing, letar forskare efter andra epitaxiella konstruktioner – sådana som kan vara mer komplexa men ändå bättre prestanda, därav konceptet "twisted epitaxi" som demonstreras i denna studie.
I sitt experiment lade forskare till ett lager av guld mellan två ark av ett traditionellt halvledande material, molybdendisulfid (MoS2 ). Eftersom de övre och nedre arken var orienterade på olika sätt kunde guldatomerna inte anpassa sig till båda samtidigt, vilket gjorde att Au-strukturen kunde vridas, säger Yi Cui, professor Cuis doktorand i materialvetenskap och teknik vid Stanford och medförfattare till artikeln .
"Med bara en botten MoS2 lager, guldet är gärna i linje med det, så ingen twist händer," sa Cui, doktoranden. "Men med två vridna MoS2 ark, är guldet inte säkert i linje med det övre eller nedre lagret. Vi lyckades hjälpa guldet att lösa sin förvirring och upptäckte ett samband mellan orienteringen av Au och vridningsvinkeln för dubbelskiktet MoS2 ."
För att studera guldlagret i detalj värmde forskargruppen från Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) och LBNL ett prov av hela strukturen till 500 grader Celsius. Sedan skickade de en ström av elektroner genom provet med en teknik som kallas transmissionselektronmikroskopi (TEM), som avslöjade morfologin, orienteringen och spänningen hos guldnanoskivorna efter glödgning vid de olika temperaturerna. Att mäta dessa egenskaper hos guldnanoskivorna var ett nödvändigt första steg mot att förstå hur den nya strukturen skulle kunna utformas för tillämpningar i verkliga världen i framtiden.
"Utan denna studie skulle vi inte veta om det ens var möjligt att vrida ett epitaxiellt lager av metall ovanpå en halvledare", säger Cui, doktoranden. "Att mäta hela treskiktsstrukturen med elektronmikroskopi bekräftade att det inte bara var möjligt, utan också att den nya strukturen kunde kontrolleras på spännande sätt."
Därefter vill forskare ytterligare studera de optiska egenskaperna hos guldnanoskivorna med hjälp av TEM och lära sig om deras design förändrar fysiska egenskaper som bandstrukturen hos Au. De vill också utöka detta koncept till att försöka bygga treskiktsstrukturer med andra halvledarmaterial och andra metaller.
"Vi börjar undersöka om bara den här kombinationen av material tillåter detta eller om det händer mer allmänt", säger Bob Sinclair, professor i Charles M. Pigott vid Stanfords skola för materialvetenskap och teknik och medförfattare till papper. "Denna upptäckt öppnar en helt ny serie experiment som vi kan prova. Vi kan vara på väg att hitta helt nya materialegenskaper som vi kan utnyttja."
Mer information: Yi Cui et al, Vriden epitaxi av guld nanodiskar odlade mellan vridna substratlager av molybdendisulfid, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk5947
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av SLAC National Accelerator Laboratory
