Een team onder leiding van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy onderzocht hoe atomair dunne tweedimensionale (2-D) kristallen kunnen groeien over 3D-objecten en hoe de kromming van die objecten de kristallen kan uitrekken en belasten. De bevindingen, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , wijzen op een strategie voor het direct engineeren van spanning tijdens de groei van atomair dunne kristallen om enkele foton-emitters te fabriceren voor de verwerking van kwantuminformatie.

Het team onderzocht eerst de groei van de platte kristallen op substraten met een patroon van scherpe treden en greppels. Verrassend genoeg, de kristallen groeiden conform deze vlakke obstakels op en neer zonder hun eigenschappen of groeisnelheden te veranderen. Echter, bochtige oppervlakken vereisten dat de kristallen uitrekten terwijl ze groeiden om hun kristalstructuur te behouden. Deze groei van 2D-kristallen naar de derde dimensie bood een fascinerende kans.

"Je kunt bepalen hoeveel spanning je op een kristal uitoefent door objecten te ontwerpen waar ze overheen kunnen groeien, " zei Kai Xiao, die samen met ORNL-collega's David Geohegan en postdoctoraal onderzoeker Kai Wang (nu bij Intel) de studie bedachten. "Strain is een manier om 'hot spots' te maken voor enkelvoudige fotonstralers."

Conforme groei van perfecte 2D-kristallen over 3D-objecten heeft de belofte om spanning te lokaliseren om high-fidelity arrays van enkele foton-emitters te creëren. Het uitrekken of comprimeren van het kristalrooster verandert de bandafstand van het materiaal, de energiekloof tussen de valentie- en geleidingsbanden van elektronen, die grotendeels de opto-elektronische eigenschappen van een materiaal bepaalt. Met behulp van stamtechniek, onderzoekers kunnen ladingsdragers trechteren om precies daar in het kristal te recombineren in plaats van op willekeurige defectlocaties. Door gebogen objecten aan te passen om spanning in het kristal te lokaliseren, en vervolgens de resulterende verschuivingen in optische eigenschappen te meten, de experimentisten dwongen co-auteurs aan de Rice University - theoretici Henry Yu, Nitant Gupta en Boris Yakobson - om te simuleren en in kaart te brengen hoe kromming spanning veroorzaakt tijdens kristalgroei.

Bij ORNL, Wang en Xiao ontwierpen experimenten met Bernadeta Srijanto om de groei van 2D-kristallen over lithografisch gevormde arrays van nanoschaalvormen te onderzoeken. Srijanto gebruikte eerst fotolithografische maskers om bepaalde delen van een siliciumoxide-oppervlak te beschermen tijdens blootstelling aan licht, en vervolgens de blootgestelde oppervlakken weggeëtst om verticaal staande vormen achter te laten, inclusief donuts, kegels en trappen. Wang en een andere postdoctoraal onderzoeker, Xufan Li (nu bij Honda Research Institute), plaatste vervolgens de substraten in een oven waar verdampt wolfraamoxide en zwavel reageerden om wolfraamdisulfide op de substraten af ​​te zetten als monolaagkristallen. De kristallen groeiden als een geordend rooster van atomen in perfecte driehoekige tegels die in de loop van de tijd groter werden door rij na rij atomen aan hun buitenranden toe te voegen. Terwijl de 2D-kristallen moeiteloos als papier over hoge treden en scherpe greppels leken te vouwen, groei over gebogen objecten dwong de kristallen om uit te rekken om hun driehoekige vorm te behouden.

De wetenschappers ontdekten dat "donuts" van 40 nanometer hoog geweldige kandidaten waren voor enkelvoudige fotonstralers omdat de kristallen de spanning die ze veroorzaakten betrouwbaar konden verdragen. en de maximale spanning was precies in het "gat" van de donut, zoals gemeten door verschuivingen in de fotoluminescentie en Raman-verstrooiing. In de toekomst, arrays van donuts of andere structuren kunnen overal worden gevormd waar kwantumstralers gewenst zijn voordat de kristallen worden gekweekt.

Wang en ORNL co-auteur Alex Puretzky gebruikten fotoluminescentie-mapping om te onthullen waar de kristallen kiemden en hoe snel elke rand van het driehoekige kristal vorderde terwijl het over de donuts groeide. Na zorgvuldige analyse van de beelden, ze waren verrast om te ontdekken dat hoewel de kristallen hun perfecte vorm behielden, de randen van kristallen die door donuts waren gespannen, groeiden sneller.

Om deze versnelling te verklaren, Puretzky ontwikkelde een kristalgroeimodel, en collega Mina Yoon voerde eerste principes berekeningen uit. Hun werk toonde aan dat spanning eerder defecten veroorzaakt aan de groeiende rand van een kristal. Deze defecten kunnen het aantal kiemplaatsen vermenigvuldigen dat kristalgroei langs een rand zaait, waardoor het sneller kan groeien dan voorheen.

De reden waarom kristallen gemakkelijk in diepe greppels kunnen groeien, maar gespannen raken door ondiepe donuts, heeft te maken met conformiteit en kromming. Stel je voor dat je cadeautjes inpakt. Dozen zijn gemakkelijk in te pakken omdat het papier kan worden gevouwen om zich aan de vorm aan te passen. Maar een onregelmatig gevormd object met rondingen, zoals een uitgepakte mok, is onmogelijk om conform te wikkelen (om te voorkomen dat het papier scheurt, je zou het moeten kunnen uitrekken als plasticfolie.)

De 2D-kristallen strekken zich ook uit om zich aan te passen aan de rondingen van het substraat. Eventueel, echter, de spanning wordt te groot en de kristallen splijten om de spanning vrij te maken, atomaire krachtmicroscopie en andere technieken onthuld. Na de kristalscheuren, groei van het nog steeds gespannen materiaal verloopt in verschillende richtingen voor elke nieuwe arm. At Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Zhili Hu performed phase-field simulations of crystal branching. Xiang Gao of ORNL and Mengkun Tian (formerly of the University of Tennessee) analyzed the atomic structure of the crystals by scanning transmission electron microscopy.

"The results present exciting opportunities to take two-dimensional materials and vertically integrate them into the third dimension for next-generation electronics, " said Xiao.

Next the researchers will explore whether strain can enhance the performance of tailored materials. "We're exploring how the strain of the crystal can make it easier to induce a phase change so the crystal can take on entirely new properties, " Xiao said. "At the Center for Nanophase Materials Sciences, we're developing tools that will allow us to probe these structures and their quantum information aspects."

The title of the paper is "Strain tolerance of two-dimensional crystal growth on curved surfaces."