Le proprietà elettroniche dei materiali solidi dipendono fortemente dalle strutture cristalline e dalle loro dimensionalità (cioè, se i cristalli hanno prevalentemente strutture 2D o 3D). Come osserva il professor Takayoshi Katase del Tokyo Institute of Technology, questo fatto ha un importante corollario:"Se la dimensionalità della struttura cristallina può essere commutata in modo reversibile nello stesso materiale, un drastico cambiamento di proprietà può essere controllabile." Questa intuizione ha portato il Prof. Katase e il suo gruppo di ricerca al Tokyo Institute of Technology, in collaborazione con i collaboratori dell'Università di Osaka e del National Institute for Materials Science, intraprendere la ricerca sulla possibilità di cambiare la dimensionalità della struttura cristallina di un semiconduttore in lega di piombo-stagno-seleniuro. I loro risultati appaiono in un articolo pubblicato in un recente numero della rivista peer-reviewed Progressi scientifici .

La lega piombo-stagno-seleniuro, (Pb _1-x Sn _X )Se è un obiettivo appropriato per tale ricerca perché gli ioni piombo (Pb ²⁺ ) e ioni stagno (Sn ²⁺ ) favoriscono dimensionalità cristalline distinte. Nello specifico, il seleniuro di piombo puro (PbSe) ha una struttura cristallina 3D, mentre il seleniuro di stagno puro (SnSe) ha una struttura cristallina 2D. SnSe ha un gap di banda di 1,1 eV, simile al semiconduttore convenzionale Si. Nel frattempo, PbSe ha una banda proibita stretta di 0,3 eV e mostra una mobilità dei portatori di 1 ordine di grandezza superiore rispetto a SnSe. In particolare, il 3D (Pb _1-x Sn _X )Se ha raccolto molta attenzione come isolante topologico. Questo è, la sostituzione di Pb con Sn nel PbSe 3D riduce il band gap e infine produce uno stato simile a Dirac senza pause. Perciò, se queste dimensionalità della struttura cristallina possono essere cambiate da sollecitazioni esterne come la temperatura, porterebbe a una gigantesca transizione di fase funzionale, come il grande cambiamento di conduttività elettronica e la transizione di stato topologico, potenziato dalle distinte modifiche della struttura elettronica.

La lega PbSe e SnSe manipolerebbe la drastica transizione nella struttura, e tale (Pb _1-x Sn _X )Se la lega dovrebbe indurre una forte frustrazione intorno ai confini di fase. Però, non esiste un confine di fase diretto tra le fasi 3D PbSe e 2D SnSe in equilibrio termico. Attraverso i loro esperimenti, Il prof. Katase e il suo team di ricerca hanno sviluppato con successo un metodo per far crescere i cristalli di lega piombo-stagno-seleniuro non in equilibrio con uguali quantità di Pb ²⁺ e Sn ²⁺ ioni (cioè (Pb _0,5 Sn _0,5 )Se) che ha subito transizioni di fase strutturali dirette tra forme 2D e 3D in base alla temperatura. A temperature più basse, predominava la struttura cristallina 2D, mentre a temperature più elevate, predominava la struttura 3D. La struttura cristallina 2D a bassa temperatura era più resistente alla corrente elettrica rispetto al cristallo 3D ad alta temperatura, e mentre la lega veniva riscaldata, i suoi livelli di resistività hanno subito una brusca flessione intorno alle temperature alle quali si è verificata la transizione di fase della dimensionalità. La presente strategia facilita la commutazione della dimensionalità della struttura diversa e l'ulteriore commutazione delle proprietà funzionali nei semiconduttori utilizzando il confine di fase artificiale.

Insomma, il gruppo di ricerca ha sviluppato una forma della lega semiconduttrice (Pb _1-x Sn _X )Se che subisce transizioni di fase dimensionali del cristallo dipendenti dalla temperatura, e queste transizioni hanno importanti implicazioni per le proprietà elettroniche della lega. Alla domanda sull'importanza del lavoro del suo team, Il prof. Katase osserva che questa forma del (Pb _1-x Sn _X )Se la lega può "servire come piattaforma per studi scientifici fondamentali e per lo sviluppo di nuove funzioni nelle tecnologie dei semiconduttori". Questa lega specializzata può, perciò, portare a nuove entusiasmanti tecnologie dei semiconduttori con una miriade di benefici per l'umanità.