Výskumný tím vedený vedcami a inžiniermi UCLA vyvinul metódu na vytváranie nových druhov umelých supermriežok - materiálov pozostávajúcich zo striedajúcich sa vrstiev ultratenkých "dvojrozmerných" vrstiev, ktoré majú šírku len jeden alebo niekoľko atómov. Na rozdiel od súčasných pokročilých supermriežok, v ktorých striedajúce sa vrstvy majú podobné atómové štruktúry a teda podobné elektronické vlastnosti, tieto striedajúce sa vrstvy môžu mať radikálne odlišné štruktúry, vlastnosti a funkcie.
Napríklad, zatiaľ čo jedna vrstva tohto nového typu supermriežky môže umožniť rýchly tok elektrónov cez ňu, druhý typ vrstvy môže pôsobiť ako izolátor. Tento návrh obmedzuje elektronické a optické vlastnosti na jednotlivé aktívne vrstvy, ktoré neinterferujú s inými izolačnými vrstvami.
Takéto supermriežky môžu tvoriť základ pre vylepšené a nové triedy elektronických a optoelektronických zariadení. Aplikácie zahŕňajú super rýchle a ultraúčinné polovodiče pre tranzistory v počítačoch a inteligentných zariadeniach a pokročilé LEDky a lasery.
V porovnaní s konvenčnou zostavou vrstvy po vrstve alebo rastovým prístupom, ktorý sa v súčasnosti používa na vytváranie 2D supermriežok, je nový postup UCLA na výrobu supermriežok z 2D materiálov oveľa rýchlejší a účinnejší. Najdôležitejšie je, že nová metóda ľahko prináša supermriežky s desiatkami, stovkami alebo dokonca tisíckami striedajúcich sa vrstiev, čo ešte nie je možné dosiahnuť inými prístupmi.
Táto nová trieda supermriežok strieda 2D vrstvy atómov kryštálu, ktoré sú vyplnené molekulami rôznych tvarov a veľkostí. V skutočnosti sa táto molekulárna vrstva stáva druhou vrstvou, pretože je udržiavaná na mieste van der Waalsovými silami, slabými elektrostatickými silami, tak aby inak neutrálne molekuly boli týmito silami navzájom spojené. Tieto nové supermriežky sa nazývajú "jednorvstvové molekulárne supermriežky atómových kryštálov".
Štúdia, publikovaná v magazíne Nature, bola vedená Xiangfengom Duanom, profesorom chémie a biochémie UCLA a Yu Huangom, profesorom materiálových vied a inžinierstva na UCLA Samueli School of Engineering.
"Tradičné polovodičové supermriežky sú zvyčajne vyrobené len z materiálov s veľmi podobnou mriežkovou symetriou, obvykle s podobnými elektronickými štruktúrami," povedal Huang. "Po prvýkrát sme vytvorili stabilné supermriežkové štruktúry s radikálne odlišnými vrstvami, ale takmer dokonalým atómovo-molekulárnym usporiadaním v každej vrstve. Táto nová trieda superlamriežkových štruktúr má prispôsobiteľné elektronické vlastnosti pre potenciálne technologické aplikácie a ďalšie vedecké štúdie."
Jednou zo súčasných metód na vytvorenie supermriežky je manuálne ukladanie ultratenkých vrstiev jednu na druhú. To je však pracné. Navyše, pretože vločkovité listy sú krehké, trvá to dlho, kým sa vytvoria, pretože mnoho listov sa počas procesu umiestnenia rozpadne. Ďalšou metódou je pestovať jednu novú vrstvu na druhej pomocou procesu nazývaného "chemické vylučovanie z plynnej fázy". Keďže to znamená, že pre rast každej vrstvy sú potrebné rôzne podmienky, ako napríklad rôzna teplota, tlak alebo chemické prostredie, tak proces môže spôsobiť zmenu alebo prerušenie vrstvy pod ním. Táto metóda je tiež prácna s nízkymi výnosmi.
Nový spôsob vytvárania monovrstvových molekulových supermriežkových kryštálov využíva proces nazývaný "elektrochemická interkalácia", v ktorom sa uplatňuje záporné napätie. Toto injektuje negatívne nabité elektróny do 2D materiálu. Potom priťahuje pozitívne nabité amóniové molekuly do priestorov medzi atómovými vrstvami. Tieto molekuly amoniaku sa automaticky namontujú do nových vrstiev v usporiadanej kryštáľovej štruktúre a vytvárajú supermriežky.
"Myslite na dvojrozmerný materiál ako na sadu hracích kariet," povedal Duan. "Potom si predstavte, že môžeme spôsobiť aby veľká hromada okolitých plastových korálkov, sa zložila do seba, v perfektnom poradí, medzi každou kartou. To je analogický nápad, ale s kryštálom 2D materiálu a amóniovými molekulami."
Výskumníci najprv demonštrovali novú techniku s použitím čierneho fosforu ako základného 2D materiálu z atómového kryštálu. Pomocou záporného napätia sa pozitívne nabité amóniové ióny priťahovali do základného materiálu a vložili sa medzi vrstvené vrstvy atómového fosforu.
Po úspechu tím vložil do série 2D materiálov rôzne typy amóniových molekúl rôznych veľkostí a symetrií. Zistili, že dokážu prispôsobiť štruktúry výsledných monovrstvových molekulových supermriežok, ktoré majú rôznorodý rozsah požadovaných elektronických a optických vlastností.
"Výsledné materiály by mohli byť užitočné pri výrobe rýchlejších tranzistorov, ktoré spotrebúvajú menej energie alebo pri vytváraní efektívnych zariadení vyžarujúcich svetlo," povedal Duan.
Hlavným autorom štúdie je Chen Wang, doktorand vedený Huangom a Duanom, ktorí sú obaja členmi California NanoSystems Institute. Ďalšími autormi sú študenti a postdoktorandi vo výskumných skupinách Duana alebo Huanga; výskumníci z Caltechu; Hunan University, Čína; Univerzita vedy a techniky Číny; a King Saud University, Saudská Arábia. Výskum bol podporený Národnou vedeckou nadáciou a Úradom námorného výskumu.
Credit: UCLA
Zdroj: newsroom.ucla.edu, Nature
Pridať nový komentár