L'uso della pressione per alterare le proprietà dei semiconduttori si sta dimostrando sempre più promettente in applicazioni come sensori a infrarossi ad alte prestazioni e dispositivi di conversione dell'energia. Con un'interfaccia in cristallo nuova e non convenzionale, i ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute hanno consentito una messa a punto più potente e dinamica del metodo, che inizialmente hanno aperto la strada nel 2015.

"Un modo convenzionale per introdurre deformazione o pressione in un materiale funzionale è far crescere tale materiale su un substrato che è simile al materiale del film nella chimica dei materiali ma dissimile nella costante reticolare. Nel nostro lavoro, ci siamo staccati da questa saggezza convenzionale", ha detto Jian Shi, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali al Rensselaer Polytechnic Institute.

La ricerca è dettagliata in "Defect-engineered epitassiale VO2±δ nell'ingegneria delle deformazioni di cristalli molli eterogenei, " pubblicato in una recente edizione di Progressi scientifici .

La ricerca precedente che utilizzava la deformazione per alterare le proprietà dei semiconduttori si è concentrata sullo sviluppo di un'interfaccia epitassiale coerente tra il film e il substrato per trasferire la deformazione dal substrato al film. Per esempio, nell'ingegneria delle deformazioni elastiche, le persone coltivano germanio su silicio, ossidi su ossidi, calcogenuri su calcogenuri.

Il lavoro Science Advances introduce un nuovo approccio, depositando un materiale semiconduttore dissimile ma tecnologicamente importante - alogenuro perovskite - su un substrato di biossido di vanadio. La perovskite ad alogenuri ha un impatto minimo sulla chimica del substrato di biossido di vanadio. Ma quando combinati, il biossido di vanadio e l'alogenuro perskovite formano un'interfaccia eterogenea, che potrebbe consentire il trasferimento efficace della deformazione al materiale semiconduttore.

La ricerca utilizza un substrato appositamente progettato, il biossido di vanadio, in grado di effettuare una transizione di fase strutturale, il che significa che cambia struttura a temperature diverse. I ricercatori utilizzano la transizione di fase strutturale per imporre la tensione su un semiconduttore a film sottile depositato sulla sua superficie mediante deposizione chimica da vapore.

Per consentire una grande deformazione nello strato semiconduttore, Yiping Wang, uno studente laureato nel laboratorio di Shi, biossido di vanadio modificato, l'aggiunta e la rimozione di atomi di ossigeno dal materiale controllando la pressione parziale dell'ossigeno durante la deposizione chimica da vapore del biossido di vanadio mentre cresce su un cristallo di zaffiro.

I risultanti array di nanoforeste di biossido di vanadio "difetti ingegnerizzati" hanno un grande cambiamento strutturale sotto lo stimolo della temperatura, e può attraversare non una ma tre transizioni di fase, consentendo loro di regolare con maggiore precisione la quantità di pressione esercitata sul semiconduttore.

Questo approccio non convenzionale, mostra che la morbidezza meccanica dei cristalli semiconduttori potrebbe essere una chiave per il successo dell'ingegneria delle deformazioni. Con un semiconduttore più morbido, un'interfaccia moderata, e un substrato più dinamico, i ricercatori sono stati in grado di modificare dinamicamente le proprietà fisiche del semiconduttore in modo reversibile su scala nanometrica. La pressione erogata è stata trovata abbastanza grande da innescare una transizione di fase strutturale ed elettronica nel cristallo semiconduttore. Tale transizione in questo cristallo è stata dimostrata ad alta pressione utilizzando un approccio diverso ma tecnologicamente poco pratico.