De elektronische eigenschappen van vaste materialen zijn sterk afhankelijk van kristalstructuren en hun dimensionaliteit (d.w.z. of de kristallen overwegend 2D- of 3D-structuren hebben). Zoals professor Takayoshi Katase van het Tokyo Institute of Technology opmerkt:dit feit heeft een belangrijk gevolg:"Als de dimensionaliteit van de kristalstructuur omkeerbaar kan worden geschakeld in hetzelfde materiaal, een drastische verandering van eigendom kan beheersbaar zijn." Dit inzicht leidde Prof. Katase en zijn onderzoeksteam aan het Tokyo Institute of Technology, in samenwerking met medewerkers van de Osaka University en het National Institute for Materials Science, om onderzoek te doen naar de mogelijkheid om de dimensionaliteit van de kristalstructuur van een halfgeleider van een lood-tin-selenidelegering te veranderen. Hun resultaten verschijnen in een paper gepubliceerd in een recent nummer van het peer-reviewed tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang .

De lood-tin-selenide legering, (Pb _1-x sn _x ) Se is een geschikte focus voor dergelijk onderzoek omdat de loodionen (Pb ²⁺ ) en tinionen (Sn ²⁺ ) geven de voorkeur aan verschillende kristaldimensies. specifiek, puur loodselenide (PbSe) heeft een 3D-kristalstructuur, terwijl pure tinselenide (SnSe) een 2D-kristalstructuur heeft. SnSe heeft een bandgap van 1,1 eV, vergelijkbaar met de conventionele halfgeleider Si. In de tussentijd, PbSe heeft een smalle bandgap van 0,3 eV en vertoont een 1 orde van grootte hogere mobiliteit van dragers dan SnSe. Vooral, de 3D (Pb _1-x sn _x )Se heeft veel aandacht gekregen als topologische isolator. Dat is, de vervanging van Pb door Sn in de 3D PbSe verkleint de band gap en produceert uiteindelijk een gapless Dirac-achtige toestand. Daarom, als deze dimensionaliteit van de kristalstructuur kan worden geschakeld door externe spanningen zoals temperatuur, het zou leiden tot een gigantische functionele faseovergang, zoals grote elektronische geleidbaarheidsverandering en topologische toestandsovergang, versterkt door de duidelijke elektronische structuurveranderingen.

De legering van PbSe en SnSe zou de drastische overgang in structuur manipuleren, en dergelijke (Pb _1-x sn _x ) Se-legering zou sterke frustratie rond fasegrenzen moeten veroorzaken. Echter, er is geen directe fasegrens tussen de 3D PbSe- en de 2D SnSe-fasen onder thermisch evenwicht. Door hun experimenten, Prof. Katase en zijn onderzoeksteam hebben met succes een methode ontwikkeld om de niet-evenwichtige lood-tin-selenidelegeringskristallen te kweken met gelijke hoeveelheden Pb ²⁺ en sn ²⁺ ionen (d.w.z. (Pb _0,5 sn _0,5 )Se) die directe structurele faseovergangen onderging tussen 2D- en 3D-vormen op basis van temperatuur. Bij lagere temperaturen, de 2D kristalstructuur overheerste, terwijl bij hogere temperaturen, de 3D-structuur overheerste. De 2D-kristalstructuur bij lage temperatuur was beter bestand tegen elektrische stroom dan het 3D-kristal bij hoge temperatuur, en terwijl de legering werd verwarmd, zijn weerstandsniveaus namen een scherpe duik rond de temperaturen waarbij de dimensionaliteitsfase-overgang plaatsvond. De huidige strategie vergemakkelijkt het schakelen van verschillende structuurdimensionaliteit en verder schakelen van functionele eigenschappen in halfgeleiders met behulp van kunstmatige fasegrens.

In totaal, het onderzoeksteam ontwikkelde een vorm van de halfgeleiderlegering (Pb _1-x sn _x ) Se die temperatuurafhankelijke faseovergangen van kristaldimensionaliteit ondergaat, en deze overgangen hebben grote gevolgen voor de elektronische eigenschappen van de legering. Toen hem werd gevraagd naar het belang van het werk van zijn team, Prof. Katase merkt op dat deze vorm van de (Pb _1-x sn _x Deze legering kan "dienen als een platform voor fundamentele wetenschappelijke studies en voor de ontwikkeling van nieuwe functies in halfgeleidertechnologieën." Deze gespecialiseerde legering kan, daarom, leiden tot opwindende nieuwe halfgeleidertechnologieën met talloze voordelen voor de mensheid.