Wetenschappers hebben dunne films van twee verschillende kristallijne materialen op elkaar laten groeien met behulp van een innovatieve techniek die 'datieve epitaxie' wordt genoemd. De onderzoekers ontdekten de methode bij verrassing.

Zoals de natuurkundige Hao Zeng van de Universiteit van Buffalo uitlegt, houdt datieve epitaxie lagen van verschillende materialen bij elkaar via een zwakke aantrekkingskracht tussen de materialen, gecombineerd met af en toe chemische bindingen die 'datieve bindingen' worden genoemd.

"Ik vergelijk dit met het leggen van een houten vloer in je huis", zegt Zeng, hoogleraar natuurkunde aan het UB College of Arts and Sciences. "Je steekt er een paar spijkers in om de houten planken aan het oppervlak te verankeren. De datiefverbindingen zijn als deze spijkers."

Het onderzoek is opwindend, zegt Zeng, omdat nieuwe manieren om films in lagen te leggen "verstrekkende gevolgen kunnen hebben op het gebied van halfgeleiders, kwantumtechnologie en hernieuwbare energie."

Zeng en collega's rapporteren over datieve epitaxie in een artikel van maart in Advanced Materials .

Een 'toevallige' ontdekking

"We zijn niet begonnen met het idee van datieve epitaxie", zegt Zeng. "Ik zou zeggen dat het een toevallige ontdekking was. Aanvankelijk probeerden we atomair dunne magneten te laten groeien op een laag van der Waals-materiaal, dat fungeert als een sjabloon om 2D-groei te bevorderen."

Als onderdeel van het maken van magneten liet Bian, een postdoctoraal natuurkundig onderzoeker van de UB, een superdun laagje chroomtelluride groeien bovenop een superdunne "monolaag" van wolfraamdiselenide.

De wetenschappers dachten dat de twee films alleen bij elkaar zouden worden gehouden door een zwakke aantrekkingskracht tussen de materialen, bekend als de van der Waals-kracht. Maar een kijkje onder de microscoop bracht iets onverwachts aan het licht.

"Toen Mengying het kantoor binnenkwam en me dit zeer mooie microscoopbeeld liet zien, realiseerden we ons meteen dat er iets ongewoons aan de hand was", herinnert Zeng zich. "De kristallen zagen eruit alsof ze perfect op elkaar waren uitgelijnd, en dit soort perfecte uitlijning suggereerde dat het misschien niet de Van der Waals-epitaxie was die we verwachtten. In Van der Waals-epitaxie kan de oriëntatie van lagen niet erg nauwkeurig worden gecontroleerd omdat de lagen hebben geen sterke interactie met elkaar."

Na verdere experimentele en theoretische analyse, in samenwerking met Renat Sabirianov, Ph.D., aan de Universiteit van Nebraska in Omaha, concludeerden de onderzoekers dat naast de Van der Waals-kracht, "sporadische" datieve bindingen de twee films met elkaar verbonden.

Toen kwam er nog een verrassing. Toen Zeng naar bestaande literatuur over datieve epitaxie zocht, vond hij er maar één:een recent theoretisch werk dat datieve bindingsversterking van de van der Waals-epitaxie voorspelt. De studie werd geleid - opnieuw, toevallig - door zijn oude medewerker aan het Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "was erg opgewonden om te horen dat onze experimentele ontdekking zijn hypothese bevestigde", zegt Zeng.

'Goudlokje-principe' van epitaxie

UB has filed a provisional patent application for dative epitaxy methods, and is looking to expand on this research through collaboration with industry and research partners. Zeng and Bian say the technique represents a "Goldilocks principle" when it comes to layering crystalline films.

Epitaxy involves growing one crystalline material on another crystalline substrate, with a well-defined orientation relationship between them. Conventional epitaxy requires that two materials share similar lattice spacing, which has to do with the distance between atoms. Van der Waals epitaxy overcomes this hurdle but can lead to crystals growing in the wrong direction.

"Dative epitaxy circumvents the stringent lattice-matching requirements in conventional epitaxy, while also taking advantage of the formation of special chemical bonds to fix crystal orientation," Bian says.

"Dative epitaxy could allow a broader range of materials to be grown. It really gives people a lot of flexibility and choice," Zeng says. "It's the Goldilocks principle in epitaxy:It captures the benefits of conventional and van der Waals epitaxial techniques, but addresses the drawbacks of both."

Given these advantages, Zeng says, their "technique could open the door to high-quality epitaxial growth of a variety of compound semiconductor thin films, such as, potentially, gallium arsenide or gallium nitride on silicon wafers. Integrating these materials are super important to the semiconductor industry, which has been a longstanding challenge due to the limitations of other forms of epitaxy." + Verder verkennen

Graphene-driving strain engineering to enable strain-free epitaxy of AlN film for deep ultraviolet light-emitting diode