Простой способ заставить сложные полупроводники собираться самостоятельно

Укладывая друг на друга очень тонкие пленки материала, можно создавать новые материалы с новыми захватывающими свойствами. Но самые успешные процессы создания таких стеков могут быть утомительными и несовершенными и не очень подходящими для крупномасштабного производства.

Теперь команда под руководством профессора Стэнфордского университета Хемамала Карунадаса создала гораздо более простой и быстрый способ сделать это. Они вырастили двухмерные слои одного из самых востребованных материалов, известных как перовскиты, перемежаемые тонкими слоями других материалов в виде больших кристаллов, которые собираются сами по себе.

Сборка происходит во флаконах, где химические ингредиенты для слоев кувыркаются в воде вместе с молекулами в форме штанги, которые направляют действие. На каждом конце штанги находится шаблон для выращивания одного типа слоя. Когда слои кристаллизуются — процесс, похожий на приготовление леденцов, — штанги автоматически соединяют их вместе в правильном порядке.

Исследователи говорят, что их метод закладывает основу для создания широкого спектра сложных полупроводников гораздо более продуманным способом, включая комбинации материалов, которые ранее не были известны как пары в кристаллах.

«Вместо того, чтобы манипулировать материалами один слой за другим, — сказал Карунадаса, — мы просто бросаем ионы в горшок с водой и позволяем ионам собираться так, как они хотят. Мы можем сделать граммы этого материала, и мы знаем, где атомы находятся в кристаллах. Такой уровень точности позволяет мне узнать, как на самом деле выглядят границы раздела между слоями, что важно для определения электронной структуры материала — поведения его электронов».

Галогенидные перовскиты — материалы, которые имеют ту же октаэдрическую структуру, что и встречающиеся в природе минералы перовскита, — собираются в воде с 1900-х годов. У них есть большой потенциал для эффективного поглощения солнечного света солнечными элементами и преобразования его в электричество, но они также известны своей нестабильностью, особенно в жарком и ярко освещенном помещении, в котором работают фотогальваники.

Наслоение перовскитов на другие материалы может сочетать их свойства таким образом, чтобы улучшить их характеристики в конкретных приложениях. Но еще более захватывающая перспектива заключается в том, что совершенно новые и неожиданные свойства могут появиться на границах раздела, где встречаются слои; например, ученые ранее обнаружили, что наложение тонких пленок двух разных типов изоляторов может создать электрический проводник.

Сложно предсказать, какие сочетания материалов окажутся интересными и полезными. Более того, изготовление тонкослойных материалов было медленным и кропотливым процессом. Слои обычно создаются путем отделения пленок толщиной всего в один или два атома по одному от большего куска материала. Вот как графен изготавливается из графита, чистой формы углерода, используемого в грифелях карандашей. В других случаях эти тонкослойные материалы производятся небольшими партиями при очень высоких температурах.

«Способ их изготовления нельзя масштабировать, а иногда даже трудно воспроизвести из одной партии в другую», — сказал Карунадаса. «Снятие слоев толщиной всего в один или два атома — это специализированная работа; это не то, что вы и я можем просто пойти в лабораторию и сделать. Эти листы похожи на очень гибкую колоду карт; когда вы вынимаете один, он может скомкаться или согнуться. Таким образом, трудно узнать точную структуру финального стека. Существует очень мало прецедентов для материалов, похожих на те, которые мы создали в этом исследовании».

Было обнаружено, что эти атомарно тонкие слои имеют ту же структуру, что и трехмерные блоки из подобных материалов, свойства которых уже были известны, и что два разных слоя должны слегка искажаться, чтобы иметь общую границу раздела.

Создание слоистых структур — это точно такой же процесс, как и изготовление леденца, когда вы опускаете деревянную палочку в насыщенный раствор сахара, и кристаллы леденца сами засеиваются на палочке», — сказал исследователь Майкл Обри. «Но в этом случае исходные материалы другие, и вам не нужен штифт — кристаллы начнут формироваться в воде или на поверхности стеклянного флакона».

Команда изготовила шесть самособранных материалов, чередуя перовскиты с галогенидами металлов или сульфидами металлов, и исследовала их с помощью рентгеновских лучей в Advanced Light