Het stapelen van lagen nanometerdunne halfgeleidende materialen onder verschillende hoeken is een nieuwe benadering voor het ontwerpen van de volgende generatie energiezuinige transistors en zonnecellen. De atomen in elke laag zijn gerangschikt in hexagonale reeksen. Wanneer twee lagen worden gestapeld en geroteerd, atomen van de ene laag overlappen die in de andere laag en kunnen een oneindig aantal overlappende patronen vormen, zoals de Moiré-patronen die ontstaan ​​wanneer twee schermen over elkaar heen worden gelegd en de ene op de andere wordt gedraaid. Theoretische berekeningen voorspellen uitstekende elektronische en optische eigenschappen voor sommige stapelpatronen, maar praktisch, hoe kunnen deze patronen worden gemaakt en gekarakteriseerd?

Onlangs gebruikte een team onder leiding van onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy de trillingen tussen twee lagen om hun stapelpatronen te ontcijferen. Het team gebruikte een methode genaamd laagfrequente Raman-spectroscopie om te meten hoe de lagen ten opzichte van elkaar trillen en vergeleek de frequenties van de gemeten trillingen met hun theoretisch voorspelde waarden. Hun studie biedt een platform voor het construeren van tweedimensionale (2D) materialen met optische en elektronische eigenschappen die sterk afhankelijk zijn van stapelconfiguraties. De bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano , een tijdschrift van de American Chemical Society.

"Laagfrequente Raman-spectroscopie, in combinatie met first-principles modellering, biedt een snelle en gemakkelijke benadering om complexe stapelconfiguraties in de gedraaide bilagen van een veelbelovende halfgeleider te onthullen, zonder afhankelijk te zijn van andere dure en tijdrovende experimentele technieken, " zei co-hoofdauteur Liangbo Liang, een Wigner Fellow bij ORNL. "Wij zijn de eersten die laten zien dat laagfrequente Raman-spectra kunnen worden gebruikt als vingerafdrukken om de relatieve laagstapeling in halfgeleidende 2D-materialen te karakteriseren."

Bij Ramanverstrooiing, een optische methode voor het meten van atomaire trillingen, een materiaal verstrooit monochromatisch licht van een laser. Terwijl conventionele Raman-spectroscopie meer dan ongeveer 3 biljoen atomaire trillingen per seconde kan onderzoeken, laagfrequente Raman-spectroscopie detecteert trillingen die een orde van grootte langzamer zijn. De laagfrequente techniek is gevoelig voor zwakke aantrekkingskrachten tussen lagen, zogenaamde van der Waals koppeling. Het kan cruciaal inzicht verschaffen in laagdikte en stapeling - aspecten die de fundamentele eigenschappen van 2D-materialen bepalen.

"Dit werk combineert state-of-the-art synthese en verwerking van 2D-materialen, hun unieke spectroscopische karakterisering, en data-interpretatie met behulp van de theorie van de eerste beginselen, "Zei mede-hoofdauteur Alex Puretzky. "Raman-spectroscopie met hoge resolutie die laagfrequente modi kan onderzoeken, vereist gespecialiseerde instrumenten, en slechts een paar plaatsen in de wereld hebben zo'n mogelijkheid samen met geavanceerde synthese- en karakteriseringstools, en expertise op het gebied van theorie en computationele modellering. Het Centre for Nanophase Materials Sciences van ORNL is daar een van."

Chemische dampafzetting, veel gebruikt om 2D-materialen zoals grafeen te synthetiseren, werd gebruikt om perfect driehoekige kristalmonolagen van molybdeendiselenide van slechts drie atomen dik te maken. Grondstofmoleculen van molybdeenoxide en zwavel werden omgezet in een stromend gas in een hoge-temperatuuroven om de driehoekige kristallen op siliciumsubstraten te vormen.

"Tal van parameters moeten goed worden aangepast om grote, driehoekige 2D-kristallen succesvol, ' zei Puretzky. 'Toen, het zorgvuldig verwijderen van de kristallen en het precies in verschillende richtingen stapelen is een grote uitdaging."

Hij ging verder, "De precieze, gelijkzijdige driehoekige vorm van de gesynthetiseerde en overgedragen kristallen stelde ons in staat om de draaihoeken met een hoge precisie te meten met behulp van standaard optische en atomaire krachtmicroscopiebeelden, dat was een sleutelfactor in onze experimenten."

Theoretische en computationele aspecten waren ook een uitdaging. "Raman-spectroscopie is sterk gebaseerd op theorie voor interpretatie en toewijzing van de waargenomen Raman-spectra, vooral voor nieuwe materialen die nog nooit eerder zijn gemeten, ' zei Puretzky.

Het onderzoek bracht patronen aan het licht in de gestapelde dubbellagen die sterk afhankelijk zijn van de draaihoek. Enkele specifieke draaihoeken, Hoewel, toonde periodiek herhalende patches met dezelfde stapeloriëntatie. "Deze unieke patronen kunnen een nieuw platform bieden voor opto-elektronische toepassingen van deze materialen, ' zei Puretzky.

De bevindingen van het team toonden ook fascinerende effecten van de trillingen tussen de lagen. Omdat er verschillende stapelpatronen verschenen wanneer lagen werden verplaatst, variabele afstanden kwamen voor tussen de lagen bij een aantal specifieke draaihoeken. De onderzoekers plannen verdere metingen en modellering voor verschillende stapelconfiguraties om beter te begrijpen hoe dit trillingsverval de thermische eigenschappen van deze materialen kan veranderen - kennis die van invloed kan zijn op toepassingen in warmtedissipatie en thermo-elektrische energieomzetting.