Door extreem dunne materiaalfilms op elkaar te stapelen, kunnen nieuwe materialen met opwindende nieuwe eigenschappen ontstaan. Maar de meest succesvolle processen voor het bouwen van die stapels kunnen vervelend en onvolmaakt zijn, en niet goed geschikt voor grootschalige productie.

Nu heeft een team onder leiding van Stanford-professor Hemamala Karunadasa een veel eenvoudigere en snellere manier bedacht om dit te doen. Ze kweekten 2D-lagen van een van de meest gewilde materialen, bekend als perovskieten, verweven met dunne lagen van andere materialen in grote kristallen die zichzelf assembleren.

De assemblage vindt plaats in flesjes waar de chemische ingrediënten voor de lagen in het water ronddwarrelen, samen met haltervormige moleculen die de actie sturen. Elk uiteinde van een halter heeft een sjabloon voor het kweken van één type laag. Terwijl de lagen kristalliseren - een proces dat lijkt op het maken van rock candy - koppelen de halters ze automatisch in de juiste volgorde aan elkaar.

"Wat echt cool is, is dat deze complexe gelaagde materialen spontaan kristalliseren, " zei Michael Aubrey, die ten tijde van het onderzoek een postdoctoraal onderzoeker was in het laboratorium van Karunadasa.

De onderzoekers zeggen dat hun methode de basis legt voor het maken van een breed scala aan complexe halfgeleiders op een veel doelbewustere manier, inclusief combinaties van materialen waarvan niet bekend is dat ze eerder in kristallen paren. Ze beschreven het werk in een paper gepubliceerd in Natuur vandaag.

"We zijn behoorlijk enthousiast over deze algemene strategie die kan worden uitgebreid tot zoveel soorten materialen, " zei Karunadasa, die onderzoeker is bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy.

"In plaats van materialen laag voor laag te manipuleren, " ze zei, "we gooien de ionen gewoon in een pot met water en laten de ionen samenkomen zoals ze willen. We kunnen grammen van dit spul maken, en we weten waar de atomen in de kristallen zijn. Dit niveau van precisie stelt me ​​in staat om te weten hoe de interfaces tussen de lagen er echt uitzien, wat belangrijk is voor het bepalen van de elektronische structuur van het materiaal - hoe de elektronen zich gedragen"

Makkelijk te maken, moeilijk te stapelen

Halide perovskieten - materialen met dezelfde octaëdrische structuur als natuurlijk voorkomende perovskietminerealen - zijn sinds de jaren 1900 in water geassembleerd, zei Aubrey. Ze hebben veel potentieel om zonlicht in zonnecellen efficiënt op te nemen en om te zetten in elektriciteit, maar ze zijn ook notoir onstabiel, vooral in hete, helder verlichte omgevingen waarin fotovoltaïsche cellen werken.

Door perovskieten in lagen te leggen met andere materialen, kunnen hun eigenschappen worden gecombineerd op manieren die hun prestaties in specifieke toepassingen verbeteren. Maar een nog opwindender vooruitzicht is dat er geheel nieuwe en onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan ​​op de grensvlakken waar lagen samenkomen; bijvoorbeeld, wetenschappers hebben eerder ontdekt dat het stapelen van dunne films van twee verschillende soorten isolatoren een elektrische geleider kan creëren.

Het is moeilijk te voorspellen welke combinaties van materialen interessant en nuttig zullen blijken te zijn. Bovendien, het maken van dun gelaagde materialen is een langzame, moeizaam proces. Lagen worden over het algemeen gemaakt door films van slechts één of twee atomen dik af te pellen, een per keer, van een groter stuk materiaal. Zo wordt grafeen gemaakt van grafiet, een pure vorm van koolstof die wordt gebruikt in potloodstiften. In andere gevallen, deze dun gelaagde materialen worden in kleine batches bij zeer hoge temperaturen gemaakt.

"De manier waarop ze zijn gemaakt was niet schaalbaar en soms zelfs moeilijk te reproduceren van de ene batch naar de andere, "Zei Karunadasa. "Het afpellen van lagen die slechts een of twee atomen dik zijn, is gespecialiseerd werk; het is niet iets dat jij en ik zomaar in het lab kunnen doen. Deze vellen zijn als een zeer flexibel spel kaarten; als je er een uithaalt, het kan kreukelen of knikken. Het is dus moeilijk om de exacte structuur van de uiteindelijke stapel te kennen. Er is weinig precedent voor materialen die lijken op de materialen die we in dit onderzoek hebben gemaakt."

Rock candy synthese

Dit werk is voortgekomen uit onderzoek van studieco-auteur Abraham Saldivar Valdes, destijds een afgestudeerde student in de groep van Karunadasa. In de loop van een aantal jaren, hij ontwikkelde de nieuwe methode om de gelaagde structuren zichzelf te laten assembleren, die verder werd uitgebreid door afgestudeerde student Bridget Connor. In de tussentijd, Aubrey ontdekte dat hun atomair dunne lagen dezelfde structuur hadden als 3D-blokken van vergelijkbare materialen waarvan de eigenschappen al bekend waren, en hij volgde hoe de twee verschillende lagen enigszins moeten vervormen om een ​​interface te delen. Hij bestudeerde ook de optische eigenschappen van de eindproducten met de hulp van promovendus Kurt Lindquist.

Het creëren van de gelaagde structuren "is hetzelfde exacte proces als het maken van rock candy, waar je een houten deuvel in een verzadigde suikeroplossing laat vallen en de snoepkristallen zich op de deuvel zaaien, "Zei Aubrey. "Maar in dit geval zijn de uitgangsmaterialen anders en heb je geen plug nodig - er zullen zich kristallen gaan vormen in water of op het oppervlak van de glazen injectieflacon."

Het team maakte zes van de zelf-geassembleerde materialen, het verweven van perovskieten met metaalhalogeniden of metaalsulfiden, en onderzocht ze met röntgenstralen bij de Advanced Light Source in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.

In de meeste constructies de haltermoleculen hielden de lagen iets uit elkaar. Maar in een van hen brachten de haltermoleculen de lagen rechtstreeks met elkaar in contact, zodat ze chemische bindingen konden vormen.

"We zijn vooral enthousiast over dit type structuur waarbij de lagen met elkaar verbonden zijn, omdat dit kan leiden tot opkomende eigenschappen, zoals elektronische excitaties die over beide lagen worden verdeeld, ' zei Karunadasa.

"En in dit specifieke geval wanneer we het materiaal met licht raken om elektronen vrij te maken en positief geladen gaten te creëren, we vonden de elektronen meestal in het ene type laag en de gaten meestal in het andere. Dit is belangrijk in ons vakgebied, omdat je die twee omgevingen kunt afstemmen om het gewenste elektronische gedrag te krijgen."

Met de nieuwe techniek in de hand, Aubrey zei, "We zijn nu veel aan het verkennen om te ontdekken wat voor soort constructies ermee gemaakt kunnen worden."