Forskere tilføjer et 'twist' til klassisk materialedesign

Forskere tilføjer et 'twist' til klassisk materialedesign

Tidsstempel: 24. januar 2024 kl. 11
Kildeknude: 3083160
Jan 24, 2024

(Nanowerk nyheder) Researchers with the Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University and the DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) grew a twisted multilayer crystal structure for the first time and measured the structure’s key properties. The twisted structure could help researchers develop next-generation materials for solar cells, quantum computers, lasers and other devices. “This structure is something that we have not seen before – it was a huge surprise to me,” said Yi Cui, a professor at Stanford and SLAC and paper co-author. “A new quantum electronic property could appear within this three-layer twisted structure in future experiments.” tekst Billedtekst

Tilføjelse af lag med et twist

The crystals the team designed extended the concept of epitaxy, a phenomenon that occurs when one type of crystal material grows on top of another material in an ordered way – kind of like growing a neat lawn on top of soil, but at the atomic level. Understanding epitaxial growth has been critical to the development of many industries for more than 50 years, particularly the semiconductor industry. Indeed, epitaxy is part of many of the electronic devices that we use today, from cell phones to computers to solar panels, allowing electricity to flow, and not flow, through them. To date, epitaxy research has focused on growing one layer of material onto another, and the two materials have the same crystal orientation at the interface. This approach has been successful for decades in many applications, such as transistors, light-emitting diodes, lasers and quantum devices. But to find new materials that perform even better for more demanding needs, like quantum computing, researchers are searching for other epitaxial designs – ones that might be more complex, yet better performing, hence the “twisted epitaxy” concept demonstrated in this study. In their experiment, detailed in Videnskab (“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”), tilføjede forskere et lag guld mellem to plader af et traditionelt halvledende materiale, molybdændisulfid (MoS)2). Because the top and bottom sheets were oriented differently, the gold atoms could not align with both simultaneously, which allowed the Au structure to twist, said Yi Cui, Professor Cui’s graduate student in materials science and engineering at Stanford and co-author of the paper. “With only a bottom MoS2 lag, er guldet glad for at flugte med det, så der sker ikke noget twist,” sagde Cui, kandidatstuderende. “Men med to snoede MoS2 ark, er guldet ikke sikkert på linje med det øverste eller nederste lag. Vi formåede at hjælpe guldet med at løse dets forvirring og opdagede et forhold mellem orienteringen af ​​Au og snoningsvinklen af ​​dobbeltlags MoS2".

Zapping guld nanodiscs

For at studere guldlaget i detaljer opvarmede forskerholdet fra Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) og LBNL en prøve af hele strukturen til 500 grader Celsius. Derefter sendte de en strøm af elektroner gennem prøven ved hjælp af en teknik kaldet transmissionselektronmikroskopi (TEM), som afslørede morfologien, orienteringen og belastningen af ​​guldnanoskiverne efter udglødning ved de forskellige temperaturer. Måling af disse egenskaber af guldnanoskiverne var et nødvendigt første skridt i retning af at forstå, hvordan den nye struktur kunne designes til applikationer i den virkelige verden i fremtiden. "Uden denne undersøgelse ville vi ikke vide, om det overhovedet var muligt at vride et epitaksialt lag af metal oven på en halvleder," sagde Cui, kandidatstuderende. "Måling af den komplette trelagsstruktur med elektronmikroskopi bekræftede, at det ikke kun var muligt, men også at den nye struktur kunne styres på spændende måder." Dernæst ønsker forskerne at studere de optiske egenskaber af guldnanodiskene ved hjælp af TEM og lære, om deres design ændrer fysiske egenskaber som båndstrukturen af ​​Au. De ønsker også at udvide dette koncept til at forsøge at bygge trelagsstrukturer med andre halvledermaterialer og andre metaller. "Vi begynder at undersøge, om kun denne kombination af materialer tillader dette, eller om det sker mere bredt," sagde Bob Sinclair, Charles M. Pigott-professor ved Stanfords skole for materialevidenskab og -teknik og medforfatter til papir. "Denne opdagelse åbner en helt ny række eksperimenter, som vi kan prøve. Vi kunne være på vej til at finde helt nye materialeegenskaber, som vi kunne udnytte.”

Tidsstempel:

Mere fra Nanoværk