Epitaxia, o capas de película cristalina en crecimiento que están moldeadas por un sustrato cristalino, es un pilar de la fabricación de transistores y semiconductores. Si el material en una capa depositada es el mismo que el material en la siguiente capa, puede ser energéticamente favorable para que se formen fuertes lazos entre los altamente ordenados, Capas perfectamente combinadas. A diferencia de, tratar de colocar capas de materiales diferentes es un gran desafío si las celosías de cristal no coinciden fácilmente. Luego, Las fuerzas débiles de van der Waals crean atracción pero no forman vínculos fuertes entre capas diferentes.

En un estudio dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, Los científicos sintetizaron una pila de monocapas atómicamente delgadas de dos semiconductores mal emparejados. Uno, seleniuro de galio, es un semiconductor "tipo p", ricos en portadores de carga llamados "huecos". El otro, diselenuro de molibdeno, es un semiconductor "tipo n", rico en portadores de carga de electrones. Donde se encuentran las dos capas de semiconductores, formaron una heteroestructura atómicamente aguda llamada unión p-n, que generó una respuesta fotovoltaica al separar pares de electrones y huecos que fueron generados por la luz. El logro de crear esta célula solar atómicamente delgada, publicado en Avances de la ciencia , muestra la promesa de sintetizar capas no coincidentes para permitir nuevas familias de materiales funcionales bidimensionales (2D).

La idea de apilar diferentes materiales uno encima del otro no es nueva en sí misma. De hecho, es la base de la mayoría de los dispositivos electrónicos que se utilizan en la actualidad. Pero tal apilamiento generalmente solo funciona cuando los materiales individuales tienen celosías de cristal que son muy similares, es decir., tienen una buena "combinación de celosía". Aquí es donde esta investigación abre nuevos caminos al cultivar capas de alta calidad de materiales 2D muy diferentes, ampliando el número de materiales que se pueden combinar y creando así una gama más amplia de posibles dispositivos electrónicos atómicamente delgados.

"Debido a que las dos capas tenían un desajuste de celosía tan grande entre ellas, es muy inesperado que crezcan el uno en el otro de una manera ordenada, "dijo Xufan Li de ORNL, autor principal del estudio. "Pero funcionó".

El grupo fue el primero en demostrar que las monocapas de dos tipos diferentes de calcogenuros metálicos, compuestos binarios de azufre, El selenio o el telurio con un elemento o radical más electropositivo, que tienen constantes de celosía tan diferentes, se pueden cultivar juntos para formar una bicapa apilable perfectamente alineada. "Es un nuevo, bloque de construcción potencial para la optoelectrónica energéticamente eficiente, "Dijo Li.

Al caracterizar su nuevo bloque de construcción de dos capas, Los investigadores encontraron que las dos capas no coincidentes se habían autoensamblado en un orden atómico repetido de largo alcance que podía visualizarse directamente mediante los patrones de Moiré que mostraban en el microscopio electrónico. "Nos sorprendió que estos patrones se alinearan perfectamente, "Dijo Li.

Investigadores del grupo de nanomateriales híbridos funcionales de ORNL, dirigido por David Geohegan, realizó el estudio con socios en la Universidad de Vanderbilt, el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de la Universidad de Utah y Beijing.

"Estas nuevas heteroestructuras 2D en capas no coincidentes abren la puerta a nuevos bloques de construcción para aplicaciones optoelectrónicas, ", dijo el autor principal Kai Xiao de ORNL." Pueden permitirnos estudiar nuevas propiedades físicas que no se pueden descubrir con otras heteroestructuras 2D con celosías emparejadas. Ofrecen potencial para una amplia gama de fenómenos físicos que van desde el magnetismo interfacial, superconductividad y efecto mariposa de Hofstadter ".

Li primero cultivó una monocapa de diselenuro de molibdeno, y luego creció una capa de seleniuro de galio en la parte superior. Esta tecnica, llamada "epitaxia de van der Waals, "lleva el nombre de las débiles fuerzas de atracción que mantienen unidas capas diferentes". Con la epitaxia de van der Waals, a pesar de los grandes desajustes de celosía, todavía puedes hacer crecer otra capa en la primera, "Dijo Li. Usando microscopía electrónica de transmisión de barrido, el equipo caracterizó la estructura atómica de los materiales y reveló la formación de patrones de Moiré.

Los científicos planean realizar estudios futuros para explorar cómo se alinea el material durante el proceso de crecimiento y cómo la composición del material influye en las propiedades más allá de la respuesta fotovoltaica. La investigación avanza los esfuerzos para incorporar materiales 2D en dispositivos.

Durante muchos años, La capa de diferentes compuestos con tamaños de celdas de celosía similares se ha estudiado ampliamente. Se han incorporado diferentes elementos a los compuestos para producir una amplia gama de propiedades físicas relacionadas con la superconductividad, magnetismo y termoeléctricos. Pero la capa de compuestos 2D que tienen diferentes tamaños de celdas de celosía es un territorio prácticamente inexplorado.

"Hemos abierto la puerta para explorar todo tipo de heteroestructuras no coincidentes, "Dijo Li.

El título del artículo es "Heterouniones bidimensionales de bicapa inadaptadas de GaSe / MoSe2 por epitaxia de van der Waals".