Las propiedades electrónicas de los materiales sólidos dependen en gran medida de las estructuras cristalinas y sus dimensionalidades (es decir, si los cristales tienen estructuras predominantemente 2D o 3D). Como señala el profesor Takayoshi Katase del Instituto de Tecnología de Tokio, este hecho tiene un corolario importante:"Si la dimensionalidad de la estructura cristalina se puede cambiar de forma reversible en el mismo material, un cambio drástico en la propiedad puede ser controlable ". Esta idea llevó al profesor Katase y a su equipo de investigación en el Instituto de Tecnología de Tokio a en asociación con colaboradores de la Universidad de Osaka y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, embarcarse en una investigación sobre la posibilidad de cambiar la dimensionalidad de la estructura cristalina de un semiconductor de aleación de plomo-estaño-seleniuro. Sus resultados aparecen en un artículo publicado en un número reciente de la revista revisada por pares. Avances de la ciencia .

La aleación de plomo-estaño-seleniuro, (Pb _1-x Sn _X ) Se es un enfoque apropiado para tal investigación porque los iones de plomo (Pb ²⁺ ) e iones de estaño (Sn ²⁺ ) favorecen las distintas dimensionalidades de los cristales. Específicamente, El seleniuro de plomo puro (PbSe) tiene una estructura cristalina en 3D, mientras que el seleniuro de estaño puro (SnSe) tiene una estructura cristalina 2D. SnSe tiene bandgap de 1,1 eV, similar al semiconductor convencional Si. Mientras tanto, PbSe tiene una banda prohibida estrecha de 0,3 eV y muestra una movilidad de portadora de 1 orden de magnitud más alta que SnSe. En particular, el 3D (Pb _1-x Sn _X ) Se ha llamado mucho la atención como aislante topológico. Es decir, la sustitución de Pb por Sn en el 3D PbSe reduce la banda prohibida y finalmente produce un estado similar a Dirac sin espacios. Por lo tanto, si la dimensionalidad de la estructura cristalina se puede cambiar por tensiones externas como la temperatura, conduciría a una transición de fase funcional gigante, como un gran cambio de conductividad electrónica y transición de estado topológico, mejorado por los distintos cambios de estructura electrónica.

La aleación de PbSe y SnSe manipularía la drástica transición en la estructura, y tal (Pb _1-x Sn _X ) La aleación de Se debe inducir una fuerte frustración en torno a los límites de fase. Sin embargo, no existe un límite de fase directo entre las fases 3D PbSe y 2D SnSe en equilibrio térmico. A través de sus experimentos, El profesor Katase y su equipo de investigación desarrollaron con éxito un método para hacer crecer los cristales de aleación de plomo-estaño-seleniuro en equilibrio con cantidades iguales de Pb ²⁺ y Sn ²⁺ iones (es decir, (Pb _0,5 Sn _0,5 ) Se) que se sometieron a transiciones de fase estructural directas entre formas 2D y 3D basadas en la temperatura. A temperaturas más bajas, predominó la estructura cristalina 2D, mientras que a temperaturas más altas, predominó la estructura 3D. La estructura de cristal 2D de baja temperatura era más resistente a la corriente eléctrica que el cristal 3D de alta temperatura, y cuando la aleación se calentó, sus niveles de resistividad cayeron bruscamente en torno a las temperaturas a las que se produjo la transición de fase de dimensionalidad. La presente estrategia facilita la conmutación de la dimensionalidad de la estructura diferente y la conmutación adicional de propiedades funcionales en semiconductores utilizando un límite de fase artificial.

En suma, el equipo de investigación desarrolló una forma de aleación semiconductora (Pb _1-x Sn _X ) Se que sufre transiciones de fase de dimensionalidad cristalina dependientes de la temperatura, y estas transiciones tienen importantes implicaciones para las propiedades electrónicas de la aleación. Cuando se le preguntó sobre la importancia del trabajo de su equipo, El profesor Katase señala que esta forma de (Pb _1-x Sn _X ) La aleación de Se puede "servir como plataforma para estudios científicos fundamentales, así como para el desarrollo de funciones novedosas en tecnologías de semiconductores". Esta aleación especializada puede, por lo tanto, conducen a nuevas y emocionantes tecnologías de semiconductores con innumerables beneficios para la humanidad.