Революционная самосборная техника для сложных полупроводников

Нанесение сверхтонких пленок материалов друг на друга позволяет создавать новые материалы с уникальными свойствами. Но самые успешные процессы построения таких структур могут быть трудоемкими и несовершенными, а также плохо подходят для крупносерийного производства.

Теперь команда под руководством профессора Стэнфордского университета Хемалы Карунадаса создала гораздо более простой и быстрый способ. Они выростили 2D-слои одного из самых востребованных материалов — перовскитов, чередуя их с тонкими слоями других материалов в больших кристаллах, которые собираются сами.

Сборка происходит в флаконах, где химические ингредиенты для слоев перемешиваются в воде вместе с барабановидными молекулами, направляющими процесс. Каждый конец «барабана» несет матрицу для роста одного типа слоя. По мере кристаллизации — процесса, похожего на изготовление сахарных кристаллов — барабановидные молекулы автоматически связывают слои в правильном порядке.

Исследователи утверждают, что их метод закладывает основу для создания широкого спектра сложных полупроводников гораздо более целенаправленно, включая комбинации материалов, которые ранее не было известно, что они могут формировать кристаллы вместе.

"Вместо того чтобы манипулировать материалами слой за слоем, мы просто бросаем ионы в горшок с водой и позволяем им собираться так, как они хотят", — говорит Карунадаса. "Мы можем производить граммы этого вещества, и мы знаем, где находятся атомы в кристаллах. Этот уровень точности позволяет мне знать, как на самом деле выглядят границы между слоями, что важно для определения электронной структуры материала — того, как ведут себя его электроны".

Галогенные перовскиты — материалы, имеющие ту же октаэдрическую структуру, что и природные минералы перовскит — собирались в воде с 1900-х годов. Они обладают большим потенциалом для эффективного поглощения солнечного света в солнечных элементах и преобразования его в электричество, но также известны своей нестабильностью, особенно в горячих, ярко освещенных средах, где работают фотоэлектрические установки.

Слоистое наложение перовскитов с другими материалами может комбинировать их свойства для улучшения производительности в конкретных приложениях. Но еще более захватывающая перспектива — возникновение совершенно новых и неожиданных свойств на границах, где встречаются слои; например, ученые ранее обнаружили, что наложение тонких пленок двух разных типов изоляторов может создать электрический проводник.

Трудно предсказать, какие комбинации материалов окажутся интересными и полезными. Более того, создание тонкослойных материалов было медленным, кропотливым процессом. Слои обычно изготавливают путем отслаивания пленок толщиной в один-два атома, по одному, от большего куска материала. Так графен получают из графита — чистого углерода, используемого в карандашах. В других случаях эти тонкослойные материалы создаются в малых партиях при очень высоких температурах.

"Способ их производства не был масштабируем и иногда даже трудно воспроизводим от партии к партии", — говорит Карунадаса. "Отслаивание слоев толщиной в один-два атома — это специализированная работа; это не то, что вы и я можем просто прийти в лабораторию и сделать. Эти листы похожи на очень гибкую колоду карт; когда вы достаете одну, она может помяться или изогнуться. Поэтому трудно знать точную структуру конечной стопки. Очень мало прецедентов для материалов, похожих на те, что мы создали в этом исследовании".

Было обнаружено, что эти атомно тонкие слои имеют ту же структуру, что и 3D-блоки похожих материалов, чьи свойства уже были известны, и что два разных слоя должны слегка деформироваться, чтобы разделить границу.

"Создание слоистых структур — это точно такой же процесс, как изготовление сахарных кристаллов, когда вы опускаете деревянный стержень в насыщенный сахарный раствор, и кристаллы сахара сами оседают на стержне", — говорит исследователь Майкл Обри. "Но в этом случае исходные материалы другие, и стержень не нужен — кристаллы начинают формироваться в воде или на поверхности стеклянного флакона".

Команда создала шесть самособирающихся материалов, чередуя перовскиты с металлогидридами или сульфидами металлов, и изучила их с помощью рентгеновского излучения на Advanced Light...