Voeg gewoon zwavel toe.

Nebraska-ingenieurs Peter en Eli Sutter hebben aangetoond dat de elementaire kruiderij een sandwich van nanomateriaal kan opfleuren door een letterlijke draai te geven aan de meerlagige klassieker.

Die draai, een rotatie van 30 graden van elke atomair dunne laag ten opzichte van die eronder, zou kunnen helpen de technologische menu's in vijfsterrenlaboratoria over de hele wereld te verlevendigen:opkomende elektronische of optische eigenschappen, grotere snelheid, meer functionaliteit in minder ruimte.

Ten slotte, jij bent mijn van der Waals

Voor het grootste deel van een decennium, ingenieurs hebben recepten gemaakt en getest voor zogenaamde van der Waals-heterostructuren:stapels atomair dunne kristallagen die precies zo kunnen worden gesequenced. Vergeleken met een homostructuur - het nanoscopische equivalent van een plak ham - kan een heterostructuur plakjes pastrami bevatten, pepperoni en peper jack, allemaal bij elkaar gehouden door de zwakke van der Waals-krachten tussen aangrenzende atomaire lagen.

"Deze stapeling opent vele mogelijkheden, omdat het ons in staat stelt een enorme bibliotheek van beschikbare materialen te mixen en matchen, " zei Pieter, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek.

Ingenieurs ontdekten al snel dat de diversiteit technologisch interessante eigenschappen zou kunnen cultiveren, vaak in de regio's waar twee verschillende materialen samenkomen, die anders moeilijk of onmogelijk te recreëren zijn. Vervolgens, een paar jaar geleden, onderzoekers begonnen de effecten te onderzoeken van het roteren van de lagen in van der Waals-stapels. Die verkeerde uitlijning van lagen, ze vonden, kan ook interessante resultaten opleveren:een materiaal veranderen in een supergeleider, bijvoorbeeld, of veranderen hoe een halfgeleider licht uitzendt.

Toch stond de prestatie tegenover een aanzienlijke uitdaging:ondanks de zwakte van de Van der Waals-troepen, aangrenzende lagen geven er sterk de voorkeur aan om uitgelijnd te blijven. Het handmatig één voor één stapelen van lagen kan het probleem oplossen, maar vereist extreme precisie en, belangrijker, tijd die grootschalige fabrikanten van kleinschalige technologie gewoon niet hebben.

"Het is op geen enkele (zinvolle) manier schaalbaar, " zei Eli, hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde. "Als men applicaties wil ontwikkelen op basis van getwiste van der Waals-stacks, het is onmogelijk voor te stellen dat fabrieksarbeiders daar zitten en deze stukken rangschikken, met de hand, bovenop elkaar.

"Men moet handmatig één vlokje tegelijk stapelen. Om één apparaat te bouwen, misschien kan dat werken. 10 bouwen, misschien is het (gewoon) vervelend. Maar meer dan dat is zeker buiten bereik."

Dus de Sutters, samen met collega's van de Aalto University en de University of Wyoming, besloten om een ​​andere tactiek te proberen:het direct synthetiseren van gedraaide stapels. Dat beheren, Hoewel, betekende het overwinnen van een fundamenteel principe van dunnefilmgroei:de neiging van elke toegevoegde laag om zijn oriëntatie te erven van het onderliggende kristal.

"We dachten dat als we eerst een ander kristal konden laten groeien dat dan zou worden omgezet in het gewenste kristal, dan misschien dit tussenkristal, in plaats van het onderliggende substraat, kan de oriëntatie van het eindproduct bepalen, ' zei Pieter.

Ze begonnen met een drager van tindisulfide, een verbinding met twee zwavelatomen voor elk tinatoom en is bruikbaar als een gelaagde halfgeleider. Na het groeien van een atomair dunne laag tinmonosulfide - één zwavelatoom, een tin - op de tindisulfidebasis, het team verzadigde dat tinmonosulfide met een zwaveldamp.

Zoals verwacht, het tinmonosulfide werd spontaan omgezet in tindisulfide. Maar omdat tinmonosulfidekristallen in een rechthoekig rooster groeien - in tegenstelling tot de hexagonale configuratie van tindisulfide - nam het rooster van de nieuw getransformeerde tweede laag een draaiing van 30 graden aan ten opzichte van het ondersteunende kristal. En toen de onderzoekers het proces herhaalden, de derde laag nam zijn richtsnoer van de tweede, roterend 30 graden ten opzichte van het en 60 graden ten opzichte van de eerste.

Om de generaliseerbaarheid van de aanpak aan te tonen, het team bereikte dezelfde prestatie na vervanging van het tindisulfidesubstraat door twee andere van der Waals-halfgeleiders, molybdeendisulfide en wolfraamdisulfide.

Kloof van de volgende generatie

Gedraaide heterostructuren zijn veelbelovend voor het modificeren van een essentieel aspect van atomair dunne halfgeleiders:hun bandgaps. De elektronen in halfgeleiders bezitten elk een bepaalde hoeveelheid energie - binnen een reeks verschillende energiewaarden die de valentieband wordt genoemd - wanneer ze ongestoord worden gelaten. Wanneer opgewonden door warmte of licht, die elektronen springen naar een reeks hogere energiewaarden - de geleidingsband - waardoor ze als elektriciteit kunnen stromen. De kloof tussen die twee banden, of bandgap, helpt dicteren hoe halfgeleidermaterialen elektrische stroom geleiden en licht absorberen of uitstralen.

"Dus er kunnen een aantal zeer interessante eigenschappen ontstaan ​​als je dit spannende spel speelt, ' zei Pieter.

Dezelfde verdraaiing die de micro- en opto-elektronica van de volgende generatie zou kunnen informeren, roept ook de mozaïeken op van het oude Rome en de islam, hij zei, het creëren van een quasi-kristallijn tegelpatroon dat de ruimte vult, niet door periodiek dezelfde basiseenheid te herhalen, zoals gewone kristallen doen, maar door meerdere complementaire vormen op te leveren.

Hoewel dat draaien een overwinning vertegenwoordigt op de neiging van Van der Waals tot afstemming, Petrus zei, het beheersen van verwrongen heterostructuren biedt nog steeds formidabele uitdagingen.

"Het is een begin, " zei hij over de voortgang van het team. "Het is nog niet helemaal bevredigend, omdat we dat niet kunnen, bijvoorbeeld, (kies) de draaihoek die we willen.

"Maar het is in ieder geval niet langer nul graden."