Un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione a scansione rivela un bellissimo pattern periodico (chiamato "moiré pattern") risultante dal superreticolo epitassiale di tellururo di cromo/diseleniuro di tungsteno; sovrapposto è il modello atomico del superreticolo. Credit:Mengying Bian e Liang Zhu
Gli scienziati hanno sviluppato film sottili di due diversi materiali cristallini uno sopra l'altro utilizzando una tecnica innovativa chiamata "epitassia dativa". I ricercatori hanno scoperto il metodo di sorpresa.
Come spiega il fisico Hao Zeng dell'Università di Buffalo, l'epitassia dativa tiene insieme strati di materiali diversi tramite una debole forza di attrazione tra i materiali, accoppiata con legami chimici occasionali chiamati "legami dativi".
"Lo paragono alla posa del pavimento in legno a casa tua", afferma Zeng, professore di fisica all'UB College of Arts and Sciences. "Metti dei chiodi per ancorare le assi di legno sulla superficie. I legami dativi sono come questi chiodi."
La ricerca è entusiasmante, afferma Zeng, perché i nuovi modi di stratificare i film "potrebbero avere un impatto di vasta portata nei campi dei semiconduttori, della tecnologia quantistica e delle energie rinnovabili".
Zeng e colleghi riferiscono sull'epitassia dativa in un articolo di marzo in Materiali avanzati .
Una scoperta 'fortuita'
"Non siamo partiti con l'idea dell'epitassia dativa", dice Zeng. "Direi che è stata una scoperta fortuita. Inizialmente, stavamo cercando di far crescere magneti atomicamente sottili su uno strato di materiale di van der Waals, che funge da modello per promuovere la crescita 2D."
Come parte di questa creazione di magneti, Bian, un ricercatore post-dottorato in fisica della UB, ha fatto crescere uno strato super sottile di tellururo di cromo sopra un "monostrato" super sottile di diseleniuro di tungsteno.
Un'immagine al microscopio mostra numerosi cristalli di tellururo di cromo supersottili cresciuti sopra il diseleniuro di tungsteno. L'allineamento netto dei cristalli l'uno con l'altro è un'indicazione dell'epitassia dativa, il metodo attraverso il quale i cristalli sono stati coltivati. Credito:Mengying Bian
Gli scienziati pensavano che i due film sarebbero stati tenuti insieme solo da una debole attrazione tra i materiali, nota come forza di van der Waals. Ma una sbirciatina al microscopio ha rivelato qualcosa di inaspettato.
"Quando Mengying è entrato in ufficio e mi ha mostrato questa bellissima immagine al microscopio, ci siamo immediatamente resi conto che c'era qualcosa di insolito", ricorda Zeng. "I cristalli sembravano perfettamente allineati tra loro e questo tipo di allineamento perfetto suggeriva che potrebbe non essere l'epitassia di van der Waals che ci aspettavamo. Nell'epitassia di van der Waals, l'orientamento degli strati non può essere controllato in modo molto accurato perché i livelli non interagiscono fortemente tra loro."
Dopo ulteriori analisi sperimentali e teoriche, in collaborazione con Renat Sabirianov, Ph.D., presso l'Università del Nebraska a Omaha, i ricercatori hanno concluso che oltre alla forza di van der Waals, legami dativi "sporadici" collegavano i due film.
Poi è arrivata un'altra sorpresa. Quando Zeng ha cercato la letteratura esistente sull'epitassia dativa, ne ha trovato solo uno:un recente lavoro teorico che prevedeva il legame dativo ha migliorato l'epitassia di van der Waals. Lo studio è stato condotto, ancora una volta, in modo fortuito, dal suo collaboratore di lunga data al Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "era molto entusiasta di sapere che la nostra scoperta sperimentale ha verificato la sua ipotesi", dice Zeng.
"Principio di riccioli d'oro" dell'epitassia
UB has filed a provisional patent application for dative epitaxy methods, and is looking to expand on this research through collaboration with industry and research partners. Zeng and Bian say the technique represents a "Goldilocks principle" when it comes to layering crystalline films.
UB physics postdoctoral researcher Mengying Bian works with a dual chamber thin film deposition system. Credit:Douglas Levere / University at Buffalo
Epitaxy involves growing one crystalline material on another crystalline substrate, with a well-defined orientation relationship between them. Conventional epitaxy requires that two materials share similar lattice spacing, which has to do with the distance between atoms. Van der Waals epitaxy overcomes this hurdle but can lead to crystals growing in the wrong direction.
"Dative epitaxy circumvents the stringent lattice-matching requirements in conventional epitaxy, while also taking advantage of the formation of special chemical bonds to fix crystal orientation," Bian says.
"Dative epitaxy could allow a broader range of materials to be grown. It really gives people a lot of flexibility and choice," Zeng says. "It's the Goldilocks principle in epitaxy:It captures the benefits of conventional and van der Waals epitaxial techniques, but addresses the drawbacks of both."
Given these advantages, Zeng says, their "technique could open the door to high-quality epitaxial growth of a variety of compound semiconductor thin films, such as, potentially, gallium arsenide or gallium nitride on silicon wafers. Integrating these materials are super important to the semiconductor industry, which has been a longstanding challenge due to the limitations of other forms of epitaxy." + Esplora ulteriormente
