Forscher verleihen dem klassischen Materialdesign eine „Wendung“.

Jan 24, 2024

(Nanowerk-Neuigkeiten) 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.” BILDBESCHRIFTUNG

Schichten hinzufügen, mit einer Wendung

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 Wissenschaft (“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”) fügten die Forscher eine Goldschicht zwischen zwei Schichten eines traditionellen Halbleitermaterials, Molybdändisulfid (MoS), hinzu2). 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 „In der Schicht passt sich das Gold gerne daran an, so dass es zu keiner Verdrehung kommt“, sagte Cui, der Doktorand. „Aber mit zwei verdrehten MoS2 Blätter ist es nicht sicher, dass das Gold mit der oberen oder unteren Schicht übereinstimmt. Es gelang uns, dem Gold dabei zu helfen, seine Verwirrung zu lösen, und wir entdeckten einen Zusammenhang zwischen der Ausrichtung von Au und dem Verdrillungswinkel der MoS-Doppelschicht2"

Gold-Nanoscheiben zappen

Um die Goldschicht im Detail zu untersuchen, erhitzte das Forscherteam des Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) und des LBNL eine Probe der gesamten Struktur auf 500 Grad Celsius. Dann schickten sie mithilfe einer Technik namens Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) einen Elektronenstrom durch die Probe, der die Morphologie, Ausrichtung und Spannung der Gold-Nanoscheiben nach dem Tempern bei den verschiedenen Temperaturen enthüllte. Die Messung dieser Eigenschaften der Gold-Nanoscheiben war ein notwendiger erster Schritt, um zu verstehen, wie die neue Struktur für zukünftige Anwendungen in der realen Welt gestaltet werden könnte. „Ohne diese Studie wüssten wir nicht, ob es überhaupt möglich ist, eine epitaktische Metallschicht auf einem Halbleiter zu verdrehen“, sagte Cui, der Doktorand. „Die Messung der gesamten dreischichtigen Struktur mit Elektronenmikroskopie bestätigte, dass dies nicht nur möglich war, sondern auch, dass die neue Struktur auf spannende Weise gesteuert werden konnte.“ Als nächstes wollen Forscher die optischen Eigenschaften der Gold-Nanoscheiben mithilfe von TEM weiter untersuchen und herausfinden, ob ihr Design physikalische Eigenschaften wie die Bandstruktur von Au verändert. Sie wollen dieses Konzept auch erweitern, um zu versuchen, dreischichtige Strukturen mit anderen Halbleitermaterialien und anderen Metallen aufzubauen. „Wir beginnen zu erforschen, ob dies nur durch diese Kombination von Materialien möglich ist oder ob dies allgemeiner geschieht“, sagte Bob Sinclair, Charles M. Pigott-Professor an der Stanford School of Materials Science and Engineering und Co-Autor des Artikels. „Diese Entdeckung eröffnet eine ganz neue Reihe von Experimenten, die wir ausprobieren können. Wir könnten auf dem Weg sein, völlig neue Materialeigenschaften zu finden, die wir nutzen können.“

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64500.php