Epitassia, o strati di pellicola cristallina in crescita che sono modellati da un substrato cristallino, è un pilastro della produzione di transistor e semiconduttori. Se il materiale in uno strato depositato è lo stesso del materiale nello strato successivo, può essere energeticamente favorevole alla formazione di forti legami tra coloro che sono altamente ordinati, strati perfettamente abbinati. In contrasto, provare a sovrapporre materiali dissimili è una grande sfida se i reticoli cristallini non si abbinano facilmente. Quindi, deboli forze di van der Waals creano attrazione ma non formano forti legami tra strati diversi.

In uno studio condotto dall'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy, gli scienziati hanno sintetizzato una pila di monostrati atomicamente sottili di due semiconduttori non corrispondenti al reticolo. Uno, seleniuro di gallio, è un semiconduttore di "tipo p", ricchi di portatori di carica chiamati "buchi". L'altro, diseleniuro di molibdeno, è un semiconduttore di "tipo n", ricco di portatori di carica elettronica. Nel punto in cui i due strati di semiconduttori si incontrano, hanno formato un'eterostruttura atomicamente tagliente chiamata giunzione p-n, che ha generato una risposta fotovoltaica separando le coppie elettrone-lacuna che sono state generate dalla luce. Il raggiungimento di creare questa cella solare atomicamente sottile, pubblicato in Progressi scientifici , mostra la promessa di sintetizzare strati non corrispondenti per consentire nuove famiglie di materiali funzionali bidimensionali (2D).

L'idea di impilare materiali diversi uno sopra l'altro non è nuova di per sé. Infatti, è la base per la maggior parte dei dispositivi elettronici in uso oggi. Ma tale impilamento di solito funziona solo quando i singoli materiali hanno reticoli cristallini molto simili, cioè., hanno una buona "partita reticolare". È qui che questa ricerca apre nuovi orizzonti coltivando strati di alta qualità di materiali 2D molto diversi, ampliando il numero di materiali che possono essere combinati e creando così una gamma più ampia di potenziali dispositivi elettronici atomicamente sottili.

"Poiché i due strati avevano un tale disallineamento del reticolo tra loro, è molto inaspettato che crescano l'uno sull'altro in modo ordinato, " ha detto Xufan Li di ORNL, autore principale dello studio. "Ma ha funzionato."

Il gruppo è stato il primo a dimostrare che i monostrati di due diversi tipi di calcogenuri metallici:composti binari di zolfo, selenio o tellurio con un elemento o radicale più elettropositivo, con costanti reticolari così diverse possono essere coltivati ​​insieme per formare un doppio strato impilabile perfettamente allineato. "È una novità, potenziale elemento costitutivo per un'optoelettronica efficiente dal punto di vista energetico, " disse Li.

Dopo aver caratterizzato il loro nuovo blocco costitutivo a doppio strato, i ricercatori hanno scoperto che i due strati non corrispondenti si erano autoassemblati in un ordine atomico ripetuto a lungo raggio che poteva essere visualizzato direttamente dai modelli Moiré mostrati al microscopio elettronico. "Siamo rimasti sorpresi dal fatto che questi modelli si allineassero perfettamente, " disse Li.

Ricercatori del gruppo Functional Hybrid Nanomaterials di ORNL, guidato da David Geohegan, condotto lo studio con i partner della Vanderbilt University, l'Università dello Utah e il Centro di ricerca sulla scienza computazionale di Pechino.

"Queste nuove eterostrutture stratificate 2D non corrispondenti aprono la porta a nuovi elementi costitutivi per applicazioni optoelettroniche, ", ha affermato l'autore senior Kai Xiao di ORNL. "Possono permetterci di studiare nuove proprietà fisiche che non possono essere scoperte con altre eterostrutture 2D con reticoli abbinati. Offrono il potenziale per una vasta gamma di fenomeni fisici che vanno dal magnetismo interfacciale, superconduttività e l'effetto farfalla di Hofstadter."

Li prima è cresciuto un monostrato di diseleniuro di molibdeno, e poi è cresciuto uno strato di seleniuro di gallio sulla parte superiore. Questa tecnica, chiamato "epitassia di van der Waals, " prende il nome dalle forze attrattive deboli che tengono insieme strati dissimili. "Con l'epitassia di van der Waals, nonostante i grandi disallineamenti del reticolo, puoi ancora far crescere un altro strato sul primo, " disse Li. Usando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione, il team ha caratterizzato la struttura atomica dei materiali e ha rivelato la formazione di motivi Moiré.

Gli scienziati hanno in programma di condurre studi futuri per esplorare come il materiale si allinea durante il processo di crescita e come la composizione del materiale influenza le proprietà oltre la risposta fotovoltaica. La ricerca fa avanzare gli sforzi per incorporare materiali 2D nei dispositivi.

Per molti anni, la stratificazione di composti diversi con dimensioni di celle reticolari simili è stata ampiamente studiata. Diversi elementi sono stati incorporati nei composti per produrre un'ampia gamma di proprietà fisiche legate alla superconduttività, magnetismo e termoelettrico. Ma la stratificazione di composti 2D con dimensioni di celle reticolari dissimili è un territorio praticamente inesplorato.

"Abbiamo aperto la porta all'esplorazione di tutti i tipi di eterostrutture non corrispondenti, " disse Li.

Il titolo dell'articolo è "Eterogiunzioni bistrato bidimensionali disadattate GaSe/MoSe2 per epitassia di van der Waals".