Investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE han desarrollado por primera vez una estructura cristalina multicapa retorcida y midieron las propiedades clave de la estructura. La estructura retorcida podría ayudar a los investigadores a desarrollar materiales de próxima generación para células solares, computadoras cuánticas, láseres y otros dispositivos.
"Esta estructura es algo que no habíamos visto antes; fue una gran sorpresa para mí", dijo Yi Cui, profesor de Stanford y SLAC y coautor de un artículo publicado en Science. describiendo el trabajo. "Una nueva propiedad electrónica cuántica podría aparecer dentro de esta estructura retorcida de tres capas en experimentos futuros."
Los cristales que diseñó el equipo ampliaron el concepto de epitaxia, un fenómeno que ocurre cuando un tipo de material cristalino crece sobre otro material de manera ordenada, algo así como cultivar un césped limpio sobre el suelo, pero a nivel atómico. Comprender el crecimiento epitaxial ha sido fundamental para el desarrollo de muchas industrias durante más de 50 años, en particular la industria de los semiconductores. De hecho, la epitaxia forma parte de muchos de los dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día, desde teléfonos móviles hasta ordenadores y paneles solares, y permite que la electricidad fluya (y no fluya) a través de ellos.
Hasta la fecha, la investigación sobre epitaxia se ha centrado en hacer crecer una capa de material sobre otra, y los dos materiales tienen la misma orientación cristalina en la interfaz. Este enfoque ha tenido éxito durante décadas en muchas aplicaciones, como transistores, diodos emisores de luz, láseres y dispositivos cuánticos. Pero para encontrar nuevos materiales que funcionen aún mejor para necesidades más exigentes, como la computación cuántica, los investigadores están buscando otros diseños epitaxiales, que podrían ser más complejos, pero con mejor rendimiento, de ahí el concepto de "epitaxia retorcida" demostrado en este estudio. /P>
En su experimento, los investigadores añadieron una capa de oro entre dos láminas de un material semiconductor tradicional, disulfuro de molibdeno (MoS2 ). Debido a que las láminas superior e inferior estaban orientadas de manera diferente, los átomos de oro no podían alinearse con ambas simultáneamente, lo que permitió que la estructura de Au se torciera, dijo Yi Cui, estudiante graduado del profesor Cui en ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y coautor del artículo. .
"Con sólo un MoS2 inferior capa, el oro está feliz de alinearse con ella, por lo que no se produce ninguna torsión", dijo Cui, el estudiante de posgrado. "Pero con dos MoS2 torcidos hojas, el oro no está seguro de alinearse con la capa superior o inferior. Logramos ayudar al oro a resolver su confusión y descubrimos una relación entre la orientación del Au y el ángulo de torsión de la bicapa MoS2 ."
Para estudiar la capa de oro en detalle, el equipo de investigadores del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) y LBNL calentó una muestra de toda la estructura a 500 grados centígrados. Luego enviaron una corriente de electrones a través de la muestra utilizando una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM), que reveló la morfología, orientación y tensión de los nanodiscos de oro después del recocido a diferentes temperaturas. Medir estas propiedades de los nanodiscos de oro fue un primer paso necesario para comprender cómo se podría diseñar la nueva estructura para aplicaciones del mundo real en el futuro.
"Sin este estudio, no sabríamos si era posible torcer una capa epitaxial de metal sobre un semiconductor", dijo Cui, el estudiante de posgrado. "La medición de la estructura completa de tres capas con microscopía electrónica confirmó que no sólo era posible, sino también que la nueva estructura podía controlarse de maneras interesantes."
A continuación, los investigadores quieren estudiar más a fondo las propiedades ópticas de los nanodiscos de oro utilizando TEM y saber si su diseño altera propiedades físicas como la estructura de bandas de Au. También quieren ampliar este concepto para intentar construir estructuras de tres capas con otros materiales semiconductores y otros metales.
"Estamos empezando a explorar si sólo esta combinación de materiales permite esto o si sucede de manera más amplia", dijo Bob Sinclair, profesor Charles M. Pigott en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford y coautor del artículo. "Este descubrimiento abre una serie completamente nueva de experimentos que podemos probar. Podríamos estar en camino de encontrar nuevas propiedades materiales que podamos explotar".
Más información: Yi Cui et al, Epitaxia retorcida de nanodiscos de oro cultivados entre capas de sustrato retorcidas de disulfuro de molibdeno, Ciencia (2024). DOI:10.1126/ciencia.adk5947
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC
