I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia, dell'Università di Stanford e del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del DOE hanno sviluppato per la prima volta una struttura cristallina multistrato attorcigliata e ne hanno misurato le proprietà chiave. La struttura contorta potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare materiali di prossima generazione per celle solari, computer quantistici, laser e altri dispositivi.
"Questa struttura è qualcosa che non avevamo mai visto prima:è stata una grande sorpresa per me", ha detto Yi Cui, professore a Stanford e SLAC e coautore di un articolo pubblicato su Science descrivendo il lavoro. "Una nuova proprietà elettronica quantistica potrebbe apparire all'interno di questa struttura attorcigliata a tre strati in esperimenti futuri."
I cristalli progettati dal team hanno esteso il concetto di epitassia, un fenomeno che si verifica quando un tipo di materiale cristallino cresce sopra un altro materiale in modo ordinato, un po’ come far crescere un prato pulito sul terreno, ma a livello atomico. Comprendere la crescita epitassiale è stato fondamentale per lo sviluppo di molte industrie per più di 50 anni, in particolare quello dei semiconduttori. In effetti, l'epitassia fa parte di molti dei dispositivi elettronici che utilizziamo oggi, dai telefoni cellulari ai computer fino ai pannelli solari, consentendo all'elettricità di fluire (e non di fluire) attraverso di essi.
Fino ad oggi, la ricerca sull’epitassia si è concentrata sulla crescita di uno strato di materiale su un altro, e i due materiali hanno lo stesso orientamento dei cristalli all’interfaccia. Questo approccio ha avuto successo per decenni in molte applicazioni, come transistor, diodi emettitori di luce, laser e dispositivi quantistici. Ma per trovare nuovi materiali che funzionino ancora meglio per esigenze più impegnative, come l'informatica quantistica, i ricercatori sono alla ricerca di altri progetti epitassiali, che potrebbero essere più complessi, ma con prestazioni migliori, da qui il concetto di "epitassia contorta" dimostrato in questo studio. /P>
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno aggiunto uno strato d'oro tra due fogli di un materiale semiconduttore tradizionale, il disolfuro di molibdeno (MoS2 ). Poiché i fogli superiore e inferiore erano orientati in modo diverso, gli atomi d'oro non potevano allinearsi simultaneamente con entrambi, il che ha permesso alla struttura Au di torcersi, ha affermato Yi Cui, studente laureato del professor Cui in scienza e ingegneria dei materiali a Stanford e coautore dell'articolo. .
"Con solo un MoS2 sul fondo strato, l'oro è felice di allinearsi con esso, quindi non avviene alcuna torsione," ha detto Cui, lo studente laureato. "Ma con due MoS2 ritorti fogli, l'oro non è sicuro di allinearsi con lo strato superiore o inferiore. Siamo riusciti ad aiutare l'oro a risolvere la sua confusione e abbiamo scoperto una relazione tra l'orientamento di Au e l'angolo di torsione del doppio strato MoS2 ."
Per studiare in dettaglio lo strato d’oro, il team di ricercatori dello Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) e LBNL hanno riscaldato un campione dell’intera struttura a 500 gradi Celsius. Quindi hanno inviato un flusso di elettroni attraverso il campione utilizzando una tecnica chiamata microscopia elettronica a trasmissione (TEM), che ha rivelato la morfologia, l’orientamento e la deformazione dei nanodischi d’oro dopo la ricottura a diverse temperature. Misurare queste proprietà dei nanodischi d'oro è stato un primo passo necessario verso la comprensione di come la nuova struttura potrebbe essere progettata per applicazioni nel mondo reale in futuro.
"Senza questo studio, non sapremmo se fosse possibile torcere uno strato epitassiale di metallo sopra un semiconduttore", ha detto Cui, lo studente laureato. "La misurazione dell'intera struttura a tre strati con la microscopia elettronica ha confermato che non solo era possibile, ma anche che la nuova struttura poteva essere controllata in modi entusiasmanti."
Successivamente, i ricercatori vogliono studiare ulteriormente le proprietà ottiche dei nanodischi d’oro utilizzando TEM e scoprire se il loro design altera le proprietà fisiche come la struttura delle bande di Au. Vogliono anche estendere questo concetto per provare a costruire strutture a tre strati con altri materiali semiconduttori e altri metalli.
"Stiamo iniziando a esplorare se solo questa combinazione di materiali lo consente o se ciò avviene in un modo più ampio", ha affermato Bob Sinclair, professore Charles M. Pigott presso la scuola di scienza e ingegneria dei materiali di Stanford e coautore dell'articolo. "Questa scoperta sta aprendo una serie completamente nuova di esperimenti che possiamo provare. Potremmo essere sulla buona strada per scoprire proprietà dei materiali completamente nuove da sfruttare."
Ulteriori informazioni: Yi Cui et al, Epitassia contorta di nanodischi d'oro cresciuti tra strati di substrato contorti di bisolfuro di molibdeno, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adk5947
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito da SLAC National Accelerator Laboratory
