Un team guidato da scienziati dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha esplorato come i cristalli bidimensionali (2-D) atomicamente sottili possono crescere su oggetti 3-D e come la curvatura di tali oggetti può allungare e deformare i cristalli. Le scoperte, pubblicato in Progressi scientifici , indicare una strategia per ingegnerizzare la deformazione direttamente durante la crescita di cristalli atomicamente sottili per fabbricare emettitori di fotoni singoli per l'elaborazione delle informazioni quantistiche.

Il team ha prima esplorato la crescita dei cristalli piatti su substrati modellati con gradini affilati e fosse. Sorprendentemente, i cristalli sono cresciuti in modo conforme su e giù per questi ostacoli piatti senza modificarne le proprietà oi tassi di crescita. Però, le superfici sinuose richiedevano che i cristalli si allungassero man mano che crescevano per mantenere la loro struttura cristallina. Questa crescita di cristalli 2-D nella terza dimensione ha presentato un'affascinante opportunità.

"Puoi progettare quanta tensione impartisci a un cristallo progettando oggetti su cui crescere, "ha detto Kai Xiao, che con i colleghi dell'ORNL David Geohegan e il ricercatore postdottorato Kai Wang (ora presso Intel) hanno concepito lo studio. "La deformazione è un modo per creare 'punti caldi' per gli emettitori di singoli fotoni".

La crescita conforme di cristalli 2-D perfetti su oggetti 3-D ha la promessa di localizzare la deformazione per creare array ad alta fedeltà di emettitori di singoli fotoni. L'allungamento o la compressione del reticolo cristallino modifica il gap di banda del materiale, il gap energetico tra le bande di valenza e di conduzione degli elettroni, che determina in gran parte le proprietà optoelettroniche di un materiale. Utilizzando l'ingegneria della deformazione, i ricercatori possono incanalare i portatori di carica per ricombinarsi esattamente dove desiderato nel cristallo invece che in posizioni casuali dei difetti. Adattando oggetti curvi per localizzare la tensione nel cristallo, e quindi misurare gli spostamenti risultanti nelle proprietà ottiche, gli sperimentalisti hanno costretto i coautori della Rice University:i teorici Henry Yu, Nitant Gupta e Boris Yakobson—per simulare e mappare il modo in cui la curvatura induce la deformazione durante la crescita dei cristalli.

All'ORNL, Wang e Xiao hanno progettato esperimenti con Bernadeta Srijanto per esplorare la crescita di cristalli 2-D su matrici litograficamente modellate di forme su scala nanometrica. Srijanto ha utilizzato per la prima volta maschere fotolitografiche per proteggere alcune aree di una superficie di ossido di silicio durante l'esposizione alla luce, e poi ha inciso via le superfici esposte per lasciare forme verticali, comprese le ciambelle, coni e gradini. Wang e un altro ricercatore post-dottorato, Xufan Li (ora all'Honda Research Institute), quindi inserito i substrati in un forno dove l'ossido di tungsteno vaporizzato e lo zolfo hanno reagito per depositare disolfuro di tungsteno sui substrati come cristalli monostrato. I cristalli sono cresciuti come un reticolo ordinato di atomi in perfette tessere triangolari che si sono ingrandite con il tempo aggiungendo fila dopo fila di atomi ai loro bordi esterni. Mentre i cristalli 2-D sembravano piegarsi senza sforzo come carta su gradini alti e trincee affilate, la crescita su oggetti curvi costringeva i cristalli ad allungarsi per mantenere la loro forma triangolare.

Gli scienziati hanno scoperto che le "ciambelle" alte 40 nanometri erano ottimi candidati per emettitori di singoli fotoni perché i cristalli potevano tollerare in modo affidabile il ceppo che hanno indotto, e il massimo sforzo era proprio nel "buco" della ciambella, come misurato dagli spostamenti nella fotoluminescenza e dallo scattering Raman. Nel futuro, matrici di ciambelle o altre strutture potrebbero essere modellate ovunque siano desiderati emettitori quantistici prima che i cristalli vengano cresciuti.

Il coautore di Wang e ORNL, Alex Puretzky, ha utilizzato la mappatura della fotoluminescenza per rivelare dove i cristalli si sono nucleati e quanto velocemente ogni bordo del cristallo triangolare è progredito mentre cresceva sulle ciambelle. Dopo un'attenta analisi delle immagini, furono sorpresi nello scoprire che, sebbene i cristalli mantenessero le loro forme perfette, i bordi dei cristalli che erano stati tesi dalle ciambelle crebbero più velocemente.

Per spiegare questa accelerazione, Puretzky ha sviluppato un modello di crescita dei cristalli, e la collega Mina Yoon hanno condotto i calcoli dei primi principi. Il loro lavoro ha dimostrato che è più probabile che la deformazione induca difetti sul bordo di crescita di un cristallo. Questi difetti possono moltiplicare il numero di siti di nucleazione che seminano la crescita dei cristalli lungo un bordo, permettendogli di crescere più velocemente di prima.

La ragione per cui i cristalli possono crescere facilmente su e giù per trincee profonde, ma diventare teso da ciambelle poco profonde, ha a che fare con il conformismo e la curvatura. Immagina di incartare i regali. Le scatole sono facili da avvolgere perché la carta può piegarsi per adattarsi alla forma. Ma un oggetto di forma irregolare con curve, come una tazza senza scatola, è impossibile avvolgere in modo conforme (per evitare di strappare la carta, dovresti essere in grado di allungarlo come un involucro di plastica.)

The 2-D crystals also stretch to conform to the substrate's curves. Infine, però, the strain becomes too great and the crystals split to release the strain, atomic force microscopy and other techniques revealed. After the crystal cracks, growth of the still-strained material proceeds in different directions for each new arm. At Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Zhili Hu performed phase-field simulations of crystal branching. Xiang Gao of ORNL and Mengkun Tian (formerly of the University of Tennessee) analyzed the atomic structure of the crystals by scanning transmission electron microscopy.

"The results present exciting opportunities to take two-dimensional materials and vertically integrate them into the third dimension for next-generation electronics, " said Xiao.

Next the researchers will explore whether strain can enhance the performance of tailored materials. "We're exploring how the strain of the crystal can make it easier to induce a phase change so the crystal can take on entirely new properties, " Xiao said. "At the Center for Nanophase Materials Sciences, we're developing tools that will allow us to probe these structures and their quantum information aspects."

The title of the paper is "Strain tolerance of two-dimensional crystal growth on curved surfaces."