Исследователи сшивают атомные решетки вместе
Изображение: Park et al
Соединение различных материалов может привести к технологическим прорывам. Это важный навык, который позволил людям сделать все, начиная от небоскребов (путем армирования бетона сталью) до солнечных элементов.
В электронике соединение разных материалов производит гетеропереходы* — самые фундаментальные компоненты солнечных элементов, светодиодов и компьютерных чипов. Чем плавнее шов между двумя материалами, тем легче электроны проходят по нему, что важно для того, насколько хорошо функционируют электронные устройства. Но они состоят из кристаллов — жестких решеток атомов — и не проявляют любезности, когда их пытаются соединить.
В исследовании, опубликованном 8 марта в Science, ученые из Университете Корнелла и Университете Чикаго выявили методику «сшивания» двух пятен кристаллов вместе для создания атомарно тонких тканей.
Команда исследователей сделало это, сшивая различные кристаллы, похожие на ткань, толщиной в три атома. «Обычно они выращиваются поэтапно в самых разных условиях; сначала вырастите один материал, остановите рост, измените условие и снова начнете процесс, чтобы вырастить другой материал», — сказал Дживун Парк, профессор химии в Чикагском университете, и старший автор исследования.
По мнению исследователей, полученные однослойные материалы являются наиболее идеально выровненными из когда-либо выращенных. Более мягкий переход означает, что в тех точках, где встречаются две решетки, одна решетка растягивается или растет, чтобы соответствовать другой, вместо того, чтобы оставлять отверстия или другие дефекты.
«Если вы думаете о материалах как о двух разных типах ткани, с двумя различными потоками, где каждый ряд атомов представляет собой нить, то мы пытаемся соединить их нитью к ните без свободных нитей», — сказал Дэвид А. Мюллер, профессор прикладной и инженерной физики и старший автор исследования. «Используя новый тип электронного детектора — в основном сверхбыструю, сверхчувствительную камеру — мы смогли измерить растяжение материалов от того, где он соединялся в атомном масштабе, до того, как весь лист соединялся, и сделали это с точностью лучше, чем треть одного процента расстояния между атомами.»
Атомные швы настолько плотные, что микроскоп обнаружил, что больший из двух материалов немного сжимается вокруг другого.
«Формирование ряби в этих напряженных двухмерных материалах дало нам благодатную почву для изучения того, как макроскопические модели упругой энергии могут быть объединены с микроскопическими теориями для сильных взаимодействий ван-дер-Ваальса», — сказал Роберт А. Дистасио-младший, доцент кафедры химии и химической биологии, один из главных авторов статьи.
Исследователи решили протестировать свою работу в одном из наиболее широко используемых электронных устройств: диоде. Диод заработал. «Было здорово видеть, как эти светодиоды с тремя атомами светятся. Мы увидели отличную производительность», — говорит Сайен Се, соавтор исследования.
Исследование открывает интересные идеи для электроники. Устройства, такие как светодиоды, в настоящее время укладываются в слои — 3-мерные и 2-мерные — и обычно находятся на жесткой поверхности. Но новая технология может позволить новые конфигурации, такие как гибкие светодиоды или многожильные двухмерные схемы, работающие горизонтально и латерально.
Парк отметил, что растяжение и сжатие изменили цвет кристаллов из-за квантовомеханических эффектов. Это говорит о потенциале для датчиков света и светодиодов, которые могут быть настроены на разные цвета, например, на тензометрические ткани, которые меняют цвет по мере их растяжения.
«Это настолько неизвестно, что мы даже не знаем всех возможностей, которые мы можем получить, — сказал Парк. «Даже два года назад это было бы невообразимо».
*Гетеропереход — контакт двух полупроводников. Используются для создания потенциальных ям для электронов и отверстий в многослойных полупроводниковых структурах.
Больше информации: «Coherent, atomically thin transition-metal dichalcogenide superlattices with engineered strain» Science (2018). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aao5360