Los científicos han desarrollado películas delgadas de dos materiales cristalinos diferentes uno encima del otro utilizando una técnica innovadora llamada "epitaxia dativa". Los investigadores descubrieron el método por sorpresa.

Como explica Hao Zeng, físico de la Universidad de Buffalo, la epitaxia dativa mantiene juntas capas de diferentes materiales a través de una fuerza de atracción débil entre los materiales, junto con enlaces químicos ocasionales llamados "enlaces dativos".

"Comparo esto con poner piso de madera en tu casa", dice Zeng, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB. "Pones algunos clavos para anclar los tablones de madera en la superficie. Los enlaces dativos son como estos clavos".

La investigación es emocionante, dice Zeng, porque las nuevas formas de superponer películas "podrían tener un impacto de gran alcance en los campos de los semiconductores, la tecnología cuántica y la energía renovable".

Zeng y sus colegas informan sobre la epitaxia dativa en un artículo de marzo en Advanced Materials .

Un descubrimiento 'fortuito'

"No comenzamos con la idea de la epitaxia dativa", dice Zeng. "Diría que fue un descubrimiento fortuito. Inicialmente, estábamos tratando de hacer crecer imanes atómicamente delgados en una capa de material de van der Waals, que actúa como una plantilla para promover el crecimiento 2D".

Como parte de esta fabricación de imanes, Bian, investigador postdoctoral en física de la UB, hizo crecer una capa superfina de telururo de cromo sobre una "monocapa" superfina de diseleniuro de tungsteno.

Los científicos pensaron que las dos películas se mantendrían unidas solo por una débil atracción entre los materiales, conocida como la fuerza de van der Waals. Pero un vistazo bajo el microscopio reveló algo inesperado.

"Cuando Mengying entró en la oficina y me mostró esta hermosa imagen de microscopio, inmediatamente nos dimos cuenta de que había algo inusual", recuerda Zeng. "Los cristales parecían estar perfectamente alineados entre sí, y este tipo de alineación perfecta sugirió que podría no ser la epitaxia de van der Waals que esperábamos. En la epitaxia de van der Waals, la orientación de las capas no se puede controlar con mucha precisión porque las capas no interactúan fuertemente entre sí".

Después de un análisis experimental y teórico adicional, en colaboración con Renat Sabirianov, Ph.D., de la Universidad de Nebraska en Omaha, los investigadores concluyeron que, además de la fuerza de van der Waals, los enlaces dativos "esporádicos" conectaban las dos películas.

Luego vino otra sorpresa. Cuando Zeng buscó la literatura existente sobre la epitaxia dativa, solo encontró una:un trabajo teórico reciente que predice la epitaxia de van der Waals mejorada del enlace dativo. El estudio fue dirigido, nuevamente, por casualidad, por su antiguo colaborador en el Instituto Politécnico Rensselaer, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "estaba muy emocionado de saber que nuestro descubrimiento experimental verificaba su hipótesis", dice Zeng.

'Principio de Ricitos de Oro' de la epitaxia

La UB ha presentado una solicitud de patente provisional para los métodos de epitaxia dativa y está buscando expandir esta investigación a través de la colaboración con la industria y los socios de investigación. Zeng y Bian dicen que la técnica representa un "principio de Ricitos de oro" cuando se trata de capas de películas cristalinas.

La epitaxia implica hacer crecer un material cristalino sobre otro sustrato cristalino, con una relación de orientación bien definida entre ellos. La epitaxia convencional requiere que dos materiales compartan un espacio reticular similar, que tiene que ver con la distancia entre los átomos. La epitaxia de Van der Waals supera este obstáculo, pero puede hacer que los cristales crezcan en la dirección equivocada.

"La epitaxia dativa elude los estrictos requisitos de coincidencia de celosía en la epitaxia convencional, al mismo tiempo que aprovecha la formación de enlaces químicos especiales para fijar la orientación del cristal", dice Bian.

"La epitaxia dativa podría permitir el cultivo de una gama más amplia de materiales. Realmente brinda a las personas mucha flexibilidad y opciones", dice Zeng. "Es el principio de Ricitos de Oro en la epitaxia:captura los beneficios de las técnicas epitaxiales convencionales y de van der Waals, pero aborda los inconvenientes de ambas".

Dadas estas ventajas, dice Zeng, su "técnica podría abrir la puerta al crecimiento epitaxial de alta calidad de una variedad de películas delgadas de semiconductores compuestos, como, potencialmente, arseniuro de galio o nitruro de galio en obleas de silicio. La integración de estos materiales es muy importante para la industria de los semiconductores, que ha sido un desafío de larga data debido a las limitaciones de otras formas de epitaxia". + Explora más

Ingeniería de tensión impulsora de grafeno para permitir la epitaxia sin tensión de la película de AlN para diodos emisores de luz ultravioleta profunda