epitaxie, of groeiende kristallijne filmlagen die worden gevormd door een kristallijn substraat, is een steunpilaar van de productie van transistors en halfgeleiders. Als het materiaal in de ene afgezette laag hetzelfde is als het materiaal in de volgende laag, het kan energetisch gunstig zijn voor het vormen van sterke banden tussen de zeer geordende, perfect op elkaar afgestemde lagen. In tegenstelling tot, het is een grote uitdaging om verschillende materialen in lagen te leggen als de kristalroosters niet gemakkelijk op elkaar passen. Vervolgens, zwakke van der Waals-krachten creëren aantrekkingskracht, maar vormen geen sterke bindingen tussen ongelijke lagen.

In een onderzoek onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy, wetenschappers synthetiseerden een stapel atomair dunne monolagen van twee rooster-niet-overeenkomende halfgeleiders. Een, gallium selenide, is een "p-type" halfgeleider, rijk aan ladingdragers die 'gaten' worden genoemd. De andere, molybdeendiselenide, is een "n-type" halfgeleider, rijk aan elektronenladingsdragers. Waar de twee halfgeleiderlagen elkaar ontmoetten, ze vormden een atomair scherpe heterostructuur die een pn-overgang wordt genoemd, die een fotovoltaïsche respons genereerde door elektronen-gatparen te scheiden die door licht werden gegenereerd. Het bereiken van deze atomair dunne zonnecel, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , toont de belofte van het synthetiseren van niet-overeenkomende lagen om nieuwe families van functionele tweedimensionale (2D) materialen mogelijk te maken.

Het idee om verschillende materialen op elkaar te stapelen is op zich niet nieuw. In feite, het is de basis voor de meeste elektronische apparaten die tegenwoordig worden gebruikt. Maar zo'n stapeling werkt meestal alleen als de afzonderlijke materialen kristalroosters hebben die erg op elkaar lijken, d.w.z., ze hebben een goede "lattice match". Dit is waar dit onderzoek nieuwe wegen inslaat door het kweken van hoogwaardige lagen van zeer verschillende 2D-materialen, verbreding van het aantal materialen dat kan worden gecombineerd en zo een breder scala aan potentiële atomair dunne elektronische apparaten creëren.

"Omdat de twee lagen zo'n grote roostermismatch hadden, het is heel onverwacht dat ze op een ordelijke manier op elkaar zouden groeien, " zei ORNL's Xufan Li, hoofdauteur van de studie. "Maar het is gelukt."

De groep was de eerste die aantoonde dat monolagen van twee verschillende soorten metaalchalcogeniden - binaire verbindingen van zwavel, selenium of tellurium met een meer elektropositief element of radicaal - met zulke verschillende roosterconstanten kunnen samen worden gekweekt om een ​​perfect uitgelijnde stapeldubbellaag te vormen. "Het is een nieuwe, potentiële bouwsteen voor energiezuinige opto-elektronica, ' zei Li.

Bij het karakteriseren van hun nieuwe dubbellaagse bouwsteen, de onderzoekers ontdekten dat de twee niet-overeenkomende lagen zichzelf hadden geassembleerd tot een zich herhalende atomaire orde op lange afstand die direct kon worden gevisualiseerd door de Moiré-patronen die ze in de elektronenmicroscoop lieten zien. "We waren verrast dat deze patronen perfect op elkaar aansluiten, ' zei Li.

Onderzoekers in ORNL's Functional Hybrid Nanomaterials-groep, onder leiding van David Geohegan, voerde het onderzoek uit met partners van de Vanderbilt University, de Universiteit van Utah en het Beijing Computational Science Research Center.

"Deze nieuwe 2D-niet-overeenkomende gelaagde heterostructuren openen de deur naar nieuwe bouwstenen voor opto-elektronische toepassingen, "Zei senior auteur Kai Xiao van ORNL. "Ze kunnen ons in staat stellen om nieuwe natuurkundige eigenschappen te bestuderen die niet ontdekt kunnen worden met andere 2D heterostructuren met aangepaste roosters. Ze bieden potentieel voor een breed scala aan fysische verschijnselen, variërend van grensvlakmagnetisme, supergeleiding en het vlindereffect van Hofstadter."

Li groeide eerst een monolaag van molybdeendiselenide, en toen groeide er een laag galliumselenide bovenop. Deze techniek, genaamd "van der Waals epitaxie, " is genoemd naar de zwakke aantrekkingskrachten die ongelijke lagen bij elkaar houden. "Met van der Waals epitaxie, ondanks grote roostermismatches, op de eerste kun je nog een laag laten groeien, " zei Li. Met behulp van scanning transmissie-elektronenmicroscopie, het team karakteriseerde de atomaire structuur van de materialen en onthulde de vorming van Moiré-patronen.

De wetenschappers zijn van plan toekomstige studies uit te voeren om te onderzoeken hoe het materiaal uitgelijnd is tijdens het groeiproces en hoe de materiaalsamenstelling eigenschappen beïnvloedt die verder gaan dan de fotovoltaïsche respons. Het onderzoek bevordert de inspanningen om 2D-materialen in apparaten op te nemen.

Voor vele jaren, het in lagen aanbrengen van verschillende verbindingen met vergelijkbare roostercelgroottes is op grote schaal bestudeerd. Er zijn verschillende elementen in de verbindingen verwerkt om een ​​breed scala aan fysische eigenschappen te produceren die verband houden met supergeleiding, magnetisme en thermo-elektriciteit. Maar het in lagen aanbrengen van 2D-verbindingen met verschillende roostercelgroottes is vrijwel onontgonnen terrein.

"We hebben de deur geopend voor het verkennen van alle soorten niet-overeenkomende heterostructuren, ' zei Li.

De titel van het artikel is "Tweedimensionale GaSe/MoSe2 misfit bilayer heterojunctions door van der Waals epitaxie."