В исследовании, проведенном Окриджской национальной лабораторией Министерства энергетики США, ученые синтезировали набор атомарно тонких монослоев из двух полупроводников с несогласованной решеткой. Один из них, селенид галлия, представляет собой полупроводник p-типа, богатый носителями заряда, называемыми «дырками». Другой, диселенид молибдена, представляет собой полупроводник n-типа, богатый электронными носителями заряда.
Там, где два полупроводниковых слоя встретились, они образовали атомарно острую гетероструктуру, называемую p-n-переходом, которая генерировала фотоэлектрический отклик за счет разделения электронно-дырочных пар, генерируемых светом. Достижение создания этого атомно тонкого солнечного элемента, опубликованное в Science Advances, показывает перспективность синтеза несовпадающих слоев, чтобы создать новые семейства функциональных двумерных (2D) материалов.
Идея наложения различных материалов друг на друга не нова сама по себе. Фактически, это основа для большинства электронных устройств, используемых сегодня. Но такое наложение обычно работает только тогда, когда отдельные материалы имеют очень похожие кристаллические решетки, то есть они имеют хорошее «совпадение решеток».
Именно здесь это исследование открывает новые горизонты, выращивая высококачественные слои самых разных 2D-материалов, расширяя количество материалов, которые можно комбинировать, и тем самым создавая более широкий спектр потенциально атомарно тонких электронных устройств.«Поскольку два слоя имели такое большое несоответствие решеток, очень неожиданно, что они упорядоченно нарастали друг на друга», — сказал Сюфан Ли из ORNL, ведущий автор исследования. «Но это сработало».
Группа была первой, кто показал, что монослои двух разных типов халькогенидов металлов — бинарных соединений серы, селена или теллура с более электроположительным элементом или радикалом — с такими разными постоянными решетки могут быть выращены вместе, чтобы сформировать идеально выровненную стопку. двухслойный. «Это новый потенциальный строительный блок для энергоэффективной оптоэлектроники», — сказал Ли.Изучив свой новый двухслойный строительный блок, исследователи обнаружили, что два несовпадающих слоя самоорганизовались в повторяющийся дальний атомный порядок, который можно было непосредственно визуализировать с помощью муаровых паттернов, которые они показали в электронном микроскопе. «Мы были удивлены, что эти модели идеально совпали», — сказал Ли.Исследователи из группы функциональных гибридных наноматериалов ORNL во главе с Дэвидом Геохеганом провели исследование с партнерами из Университета Вандербильта, Университета Юты и Пекинского исследовательского центра вычислительной науки.
«Эти новые двухмерные несовпадающие слоистые гетероструктуры открывают дверь к новым строительным блокам для оптоэлектронных приложений», — сказал старший автор Кай Сяо из ORNL. «Они могут позволить нам изучать новые физические свойства, которые не могут быть обнаружены с помощью других 2D-гетероструктур с согласованными решетками. Они открывают потенциал для широкого спектра физических явлений, начиная от межфазного магнетизма, сверхпроводимости и эффекта бабочки Хофштадтера».
Ли сначала вырастил монослой диселенида молибдена, а затем вырастил сверху слой селенида галлия. Этот метод, получивший название «эпитаксия Ван-дер-Ваальса», назван из-за слабых сил притяжения, которые удерживают разнородные слои вместе. «С помощью ван-дер-ваальсовой эпитаксии, несмотря на большие несоответствия решеток, вы все равно можете вырастить еще один слой на первом», — сказал Ли.
Используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию, команда исследователей охарактеризовала атомную структуру материалов и выявила образование муаровых узоров.Ученые планируют провести будущие исследования, чтобы изучить, как материал выравнивается в процессе роста и как состав материала влияет на свойства, выходящие за рамки фотоэлектрической реакции. Исследование продвигает усилия по внедрению 2D-материалов в устройства.На протяжении многих лет широко изучается наслоение различных соединений с одинаковыми размерами ячеек решетки.
В состав соединений были включены различные элементы, обеспечивающие широкий спектр физических свойств, связанных со сверхпроводимостью, магнетизмом и термоэлектрикой. Но наслоение 2D-соединений с разными размерами ячеек решетки — практически неизведанная территория.
«Мы открыли дверь для изучения всех типов несовместимых гетероструктур», — сказал Ли.