Los materiales bidimensionales (2D) y las heteroestructuras de van der Waals (vdW) son materiales flexibles con capas atómicas distintas más allá de las unidades tradicionales de requisitos de ajuste de celosía. Sin embargo, Las estructuras 2D de van der Waals que los investigadores han explorado hasta ahora se limitan a heteroestructuras relativamente simples con una pequeña cantidad de bloques. Es exponencialmente más difícil preparar superredes vdW de alto orden con una miríada de unidades alternas debido a su rendimiento limitado y al daño material asociado con el reapilado o la síntesis.

Usando el proceso de enrollado impulsado por la fuerza capilar, Zhao y col. sulfuro de estaño sintético delaminado (SnS ₂ ) / diselenuro de tungsteno (WSe ₂ ) heteroestructuras de van der Waals del sustrato de crecimiento para producir roll-ups con monocapas alternas de los materiales para crear SnS de alto orden ₂ / WSe ₂ superredes vdW. Las superredes modulaban la estructura y dimensionalidad de la banda electrónica para permitir la transición de las características de transporte de semiconductoras a metálicas, y de 2D a unidimensional (1D) con una magnetorresistencia lineal dependiente del ángulo. El equipo extendió esta estrategia para crear diversas superredes 2D / 2D vdW que son más complejas y van más allá del mero 2D. incluyendo materiales de película delgada 3D y nanocables 1D para generar una mezcla de superredes vdW de dimensiones mixtas. El trabajo indicó un enfoque general para producir superredes vdW de alto orden con una variedad de composiciones de materiales, dimensiones, quiralidad y topología para desarrollar una plataforma de material rico para estudios fundamentales y aplicaciones técnicas. Los resultados ahora se publican en Naturaleza .

Creación de heteroestructuras de van der Waals.

Atómicamente delgado Los materiales en capas 2D han abierto nuevas vías para explorar la física de baja dimensión en el límite de una o pocas capas atómicas. para crear dispositivos funcionales con un rendimiento sin precedentes o funcionalidades únicas. Los científicos de materiales pueden mezclar y combinar distintos materiales 2D, incluido el grafeno, nitruro de boro hexagonal y dicalcogenuros de metales de transición para crear heteroestructuras 2D vdW y superredes vdW más allá de los límites del emparejamiento de celosía. Estas arquitecturas de materiales introdujeron un paradigma para diseñar materiales artificiales con propiedades estructurales y electrónicas para funciones más allá del alcance de los materiales existentes. Hasta ahora, los investigadores habían obtenido heteroestructuras y superredes de vdW a través de una serie de métodos que incluyen la deposición química de vapor (CVD), exfoliación mecánica y reapilado capa por capa para crear diversas heteroestructuras. En este trabajo, Zhao y col. informó de un enfoque sencillo para crear superredes vdW de alto orden mediante la acumulación de heteroestructuras 2D vdW. Los científicos expusieron las heteroestructuras de vdW 2D / 2D cultivadas con CVD a una solución de etanol-agua-amoníaco para permitir que la fuerza capilar impulse los procesos de deslaminación y enrollamiento espontáneos para formar enrollamientos de heteroestructura de vdW. Estos materiales contenían superredes vdW de alto orden sin múltiples procesos de transferencia y apilado. Luego, el equipo utilizó microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) y estudios de mapeo elemental de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) para determinar la composición atómica de las superredes.

Desarrollo de heteroestructuras de vdW roll-up

A continuación, los científicos realizaron estudios de transporte eléctrico para mostrar la evolución de las características de transporte de 2D a 1D con una conductancia muy mejorada y una magnetorresistencia dependiente del ángulo en las superredes vdW. Ampliaron la estrategia de enrollado para crear diversas superredes 2D / 2D vdW y superredes complejas de tres componentes 2D / 2D / 2D vdW utilizando materiales de estaño-sulfuro / disulfuro de molibdeno / disulfuro de tungsteno. La técnica también permitió la producción de materiales más allá de 2D, incluyendo materiales 3D o 1D para generar una gama de superredes vdW multidimensionales.

Proceso de fabricación

Durante el proceso de fabricación de superredes enrollables vdW, Zhao y col. Primero creció un cristal atómico 2D en un sustrato de silicio de dióxido de silicio utilizando un proceso de deposición de vapor químico modificado. El equipo utilizó los cristales 2D resultantes como plantillas para el crecimiento epitaxial de vdW para lograr heteroestructuras de vdW. Luego iniciaron procesos de enrollado impulsados ​​por fuerza capilar utilizando una solución de etanol-agua-amoníaco. La solución se intercalaba en la interfaz entre las heteroestructuras vdW de sulfuro de estaño / disulfuro de tungsteno y el sustrato de dióxido de silicio / silicio subyacente para deslaminar las construcciones de diselenuro de estaño-sulfuro / tungsteno e inducir procesos de enrollamiento espontáneo con la ayuda de la tensión superficial. El trabajo permitió acumulaciones de heteroestructura 2D vdW que contenían superredes 2D vdW de alto orden. Luego, los investigadores utilizaron el fresado de haz de iones enfocados para producir un corte transversal de los roll-ups, y los analizó utilizando estudios de mapeo elemental STEM y EDS de alta resolución.

El proceso de enrollado abre un camino sencillo para superredes de alto orden y proporciona a los científicos de materiales un método para adaptar el acoplamiento entre capas. dimensionalidad y topología de la estructura de superrejilla resultante. Por ejemplo, transformando las heteroestructuras de vdW bicapa de diselenuro de estaño-sulfuro / tungsteno en una superrejilla vdW de alto orden, Zhao y col. podría modificar su estructura de bandas y por tanto sus propiedades electrónicas. Los investigadores exploraron los efectos mediante la realización de cálculos de primeros principios basados ​​en la teoría de perturbación de muchos cuerpos y probaron la estructura de bandas electrónicas de las superredes vdW resultantes. Los resultados mostraron que la heterobicapa exhibía una alineación de banda de tipo II con el máximo de la banda de valencia (VBM) proveniente del material de seleniuro de tungsteno y el mínimo de la banda de conducción proveniente del sulfuro de estaño para una banda prohibida indirecta aparente de 0.33 eV. Las alteraciones estructurales adicionales de las superredes podrían cambiar el perfil de características principalmente superconductoras en heterobicapas a un comportamiento metálico.

Transistores de efecto de campo

Para comprender las propiedades eléctricas de las superredes vdW, A continuación, los investigadores desarrollaron transistores de efecto de campo (FET) utilizando las heterobicapas y superredes vdW enrolladas sobre sustrato de dióxido de silicio / silicio, con películas metálicas delgadas como electrodos de origen y drenaje, un sustrato de silicio como puerta trasera y dióxido de silicio como dieléctrico de puerta de la configuración durante los estudios de transporte eléctrico. El dispositivo de heterobicapa mostró poca conducción, mientras que las superredes de vdW enrolladas mostraron alta conductancia con una corriente de 100 µA a 1 V de polarización. Los resultados destacaron el transporte de carga muy mejorado en las superredes vdW enrolladas debido a la banda prohibida sustancialmente reducida. Según las características de la transferencia, Zhao y col. determinó la movilidad del portador y la densidad del portador en la heterobicapa vdW y las superredes enrolladas. El trabajo indicó una evolución en la estructura de la banda. Notablemente, el equipo mostró cómo la dimensionalidad se alteró de 2D a 1D al enrollar. Confirmaron la naturaleza de transporte 1D de los roll-ups mediante estudios de magnetorresistencia dependientes del ángulo.

Superredes de alto orden .

Zhao y col. Luego extendió la estrategia de roll-up para producir roll-ups de superrejilla 2D / 2D con distintas composiciones químicas y propiedades físicas como una plataforma rica para investigar la ferroelectricidad, ferromagnetismo, superconductividad y piezoelectricidad bajo diversas geometrías y dimensionalidades. También desarrollaron estructuras de superrejilla de alto orden que contienen unidades repetidas de monocapas y bicapas para formar una estructura de superrejilla muy uniforme para los tres materiales 2D constituyentes. Ampliaron el enfoque para crear superredes vdW de dimensiones mixtas basadas en la deposición de capas atómicas (ALD). Los investigadores también desarrollaron superredes más complejas enrollando la heterobicapa con diferentes composiciones de materiales y quiralidades para presentar una dirección emocionante para explorar en estudios futuros.

De este modo, Bei Zhao y sus colegas desarrollaron un enfoque sencillo y general para formar superredes vdW multidimensionales de alto orden que contienen capas alternas de distintos materiales 2D, junto con materiales 3D y 1D. Los materiales mantuvieron composiciones y dimensiones ampliamente variables para crear construcciones artificiales de alta ingeniería más allá de los sistemas de materiales tradicionales. El trabajo proporciona una libertad considerable para adaptar las estructuras de superrejilla resultantes para el acoplamiento entre capas, quiralidad y topología. Dichos materiales se pueden ajustar para producir estructuras de superrejilla complejas que se asemejan a las que se utilizan normalmente en transistores de varias hojas. dispositivos de túnel cuántico, diodos emisores de luz avanzados, o láseres cuánticos en cascada. Esta configuración experimental con componentes 1D y 3D ofrece geometrías únicas que son útiles para explorar la física cuántica y realizar funciones específicas del dispositivo. El trabajo también proporciona una plataforma de material rico para estudios fundamentales y aplicaciones técnicas.

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