Сложные полупроводники собираются сами — в пробирке

Укладывая очень тонкие плёнки материала друг на друга, можно конструировать новые гетероструктуры с неожиданными свойствами. Но используемые сегодня технологии создания таких многослойных структур далеки от совершенства и плохо подходят для крупномасштабного производства.

Недавно команда под руководством профессора Стэнфорда Хемамалы Карунадасы (Hemamala Karunadasa) предложила гораздо более простой и быстрый способ делать это. Они вырастили 2D-слои одного из самых востребованных материалов — галоидного перовскита — чередующиеся с тонкими слоями других материалов в больших кристаллах, причём сборка происходила самопроизвольно.

Исследователи добавляли нужные химические ингредиенты слоёв в водный раствор, где также находились молекулы гантелеобразной формы, которые и руководили процессом самосборки.

На каждом конце «гантели» имеется шаблон для выращивания одного из типов слоёв. По мере кристаллизации — процесс напоминает приготовление леденцов — «гантели» автоматически связывают слои вместе в правильном порядке.

«Вместо того, чтобы манипулировать материалами слой за слоем, — рассказывает Мишель Обри (Michael Aubrey), докторант в лаборатории Карунадасы, — мы просто бросаем ионы в сосуд с водой и позволяем им собираться так, как они хотят. Мы можем делать это вещество граммами и знать, где находятся атомы в кристаллах. Такой уровень точности позволяет понимать, как на самом деле выглядят интерфейсы между слоями, что важно для определения электронной структуры материала, того как ведут себя его электроны».

Всего было получено шесть самоорганизующихся материалов, в которых перовскиты переплетались с галогенидами или сульфидами металлов.

В большинстве структур, исследованных с помощью рентгеновских лучей в в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, молекулы-гантели удерживали слои с небольшим зазором между ними. Но в одном из случаев, слои оказались в полном контакте, позволяющем им образовывать химические связи.

«Нам особенно интересен этот тип структуры, где слои соединены, так как это может привести к появлению новых свойств, таких как электронные возбуждения, распределяющиеся на оба слоя», — сказал Карунадаса.

Исследователи полагают, что их метод закладывает основу для более осознанного, чем прежде, создания широкого спектра сложных полупроводников, включая ранее неизвестные сочетания пар материалов в кристаллах. Они рассказали о своей работе в статье, опубликованной в недавнем выпуске Nature.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365