L'impilamento di strati di materiali semiconduttori sottili nanometri ad angoli diversi è un nuovo approccio alla progettazione della prossima generazione di transistor e celle solari ad alta efficienza energetica. Gli atomi in ogni strato sono disposti in matrici esagonali. Quando due strati vengono impilati e ruotati, gli atomi di uno strato si sovrappongono a quelli dell'altro strato e possono formare un numero infinito di schemi sovrapposti, come i motivi Moiré che risultano quando due schermi sono sovrapposti e uno viene ruotato sopra l'altro. I calcoli teorici prevedono eccellenti proprietà elettroniche e ottiche per alcuni modelli di impilamento, ma praticamente, come possono essere realizzati e caratterizzati questi modelli?

Recentemente un team guidato da ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia ha utilizzato le vibrazioni tra due strati per decifrare i loro schemi di impilamento. Il team ha utilizzato un metodo chiamato spettroscopia Raman a bassa frequenza per misurare il modo in cui gli strati vibrano l'uno rispetto all'altro e ha confrontato le frequenze delle vibrazioni misurate con i loro valori teoricamente previsti. Il loro studio fornisce una piattaforma per l'ingegneria di materiali bidimensionali (2D) con proprietà ottiche ed elettroniche che dipendono fortemente dalle configurazioni di impilamento. I risultati sono pubblicati in ACS Nano , una rivista dell'American Chemical Society.

"Spettroscopia Raman a bassa frequenza, in combinazione con la modellazione dei primi principi, offre un approccio rapido e semplice per rivelare complesse configurazioni di impilamento nei doppi strati intrecciati di un promettente semiconduttore, senza fare affidamento su altre tecniche sperimentali costose e dispendiose in termini di tempo, ", ha affermato il co-autore Liangbo Liang, un Wigner Fellow all'ORNL. "Siamo i primi a dimostrare che gli spettri Raman a bassa frequenza possono essere utilizzati come impronte digitali per caratterizzare il relativo impilamento di strati nei materiali 2D semiconduttori".

Nella dispersione Raman, un metodo ottico per sondare le vibrazioni atomiche, un materiale diffonde la luce monocromatica da un laser. Considerando che la spettroscopia Raman convenzionale può sondare più di circa 3 trilioni di vibrazioni atomiche al secondo, La spettroscopia Raman a bassa frequenza rileva le vibrazioni che sono un ordine di grandezza più lente. La tecnica a bassa frequenza è sensibile alle forze attrattive deboli tra gli strati, chiamato accoppiamento di van der Waals. Può fornire informazioni cruciali sullo spessore dello strato e sull'impilamento, aspetti che regolano le proprietà fondamentali dei materiali 2D.

"Questo lavoro combina sintesi e lavorazione all'avanguardia di materiali 2D, la loro caratterizzazione spettroscopica unica, e l'interpretazione dei dati utilizzando la teoria dei primi principi, ", ha affermato il co-autore principale Alex Puretzky. "La spettroscopia Raman ad alta risoluzione in grado di sondare i modi a bassa frequenza richiede una strumentazione specializzata, e solo pochi posti nel mondo hanno una tale capacità insieme a strumenti avanzati di sintesi e caratterizzazione, e competenza teorica e di modellazione computazionale. Il Center for Nanophase Materials Sciences presso l'ORNL è tra questi".

Deposizione chimica da vapore, ampiamente impiegato per sintetizzare materiali 2D come il grafene, è stato utilizzato per realizzare monostrati di cristallo perfettamente triangolari di diseleniuro di molibdeno dello spessore di soli tre atomi. Le molecole di alimentazione di ossido di molibdeno e zolfo sono state fatte reagire in un flusso di gas all'interno di un forno ad alta temperatura per formare i cristalli triangolari su substrati di silicio.

"Numerosi parametri devono essere opportunamente regolati per sintetizzare grandi, cristalli triangolari 2D con successo, " disse Puretzky. "Allora, rimuovere con cura i cristalli e impilarli con precisione in diversi orientamenti è una grande sfida".

Lui continuò, "Il preciso, La forma triangolare equilatera dei cristalli sintetizzati e trasferiti ci ha permesso di misurare gli angoli di torsione con un'elevata precisione utilizzando immagini di microscopia ottica e a forza atomica standard, che è stato un fattore chiave nei nostri esperimenti."

Anche gli aspetti teorici e computazionali erano impegnativi. "La spettroscopia Raman è fortemente basata sulla teoria per l'interpretazione e l'assegnazione degli spettri Raman osservati, soprattutto per nuovi materiali che non sono mai stati misurati prima, " Disse Puretzky.

Lo studio ha rivelato modelli nei doppi strati sovrapposti che dipendono fortemente dall'angolo di torsione. Alcuni angoli di torsione specifici, anche se, mostrava patch che si ripetevano periodicamente con lo stesso orientamento di impilamento. "Questi modelli unici possono fornire una nuova piattaforma per le applicazioni optoelettroniche di questi materiali, " Disse Puretzky.

Le scoperte del team hanno anche mostrato effetti affascinanti delle vibrazioni tra gli strati. Poiché diversi modelli di impilamento apparivano quando gli strati venivano spostati, spaziature variabili si sono verificate tra gli strati in corrispondenza di alcuni angoli di torsione specifici. I ricercatori pianificano ulteriori misurazioni e modellazione per diverse configurazioni di impilamento per comprendere meglio come questi decadimenti vibrazionali potrebbero alterare le proprietà termiche di questi materiali, conoscenze che potrebbero influenzare le applicazioni nella dissipazione del calore e nella conversione dell'energia termoelettrica.