Les chercheurs ajoutent une « torsion » à la conception classique des matériaux

Les chercheurs ajoutent une « torsion » à la conception classique des matériaux

Horodatage: 24 janvier 2024 11:23 AM
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Le 24 janvier 2024

(Actualités Nanowerk) 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.” texte LÉGENDE

Ajouter des calques, avec une touche d'originalité

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 Sciences (“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”), les chercheurs ont ajouté une couche d'or entre deux feuilles d'un matériau semi-conducteur traditionnel, le bisulfure de molybdène (MoS2). 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 couche, l’or est heureux de s’aligner avec elle, donc aucune torsion ne se produit », a déclaré Cui, l’étudiant diplômé. "Mais avec deux MoS tordus2 feuilles, l'or n'est pas sûr de s'aligner avec la couche supérieure ou inférieure. Nous avons réussi à aider l'or à résoudre sa confusion et avons découvert une relation entre l'orientation de Au et l'angle de torsion du MoS bicouche.2. »

Zapping des nanodisques d'or

Pour étudier la couche d'or en détail, l'équipe de chercheurs de l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford (SIMES) et du LBNL a chauffé un échantillon de l'ensemble de la structure à 500 degrés Celsius. Ensuite, ils ont envoyé un flux d’électrons à travers l’échantillon à l’aide d’une technique appelée microscopie électronique à transmission (TEM), qui a révélé la morphologie, l’orientation et la déformation des nanodisques d’or après recuit à différentes températures. Mesurer ces propriétés des nanodisques d’or était une première étape nécessaire pour comprendre comment la nouvelle structure pourrait être conçue pour des applications réelles à l’avenir. "Sans cette étude, nous ne saurions pas s'il était possible de tordre une couche épitaxiale de métal sur un semi-conducteur", a déclaré Cui, l'étudiant diplômé. "La mesure de la structure complète à trois couches par microscopie électronique a confirmé que c'était non seulement possible, mais aussi que la nouvelle structure pouvait être contrôlée de manière passionnante." Ensuite, les chercheurs souhaitent étudier plus en profondeur les propriétés optiques des nanodisques d'or à l'aide de TEM et savoir si leur conception modifie les propriétés physiques telles que la structure des bandes de l'Au. Ils souhaitent également étendre ce concept pour tenter de construire des structures à trois couches avec d'autres matériaux semi-conducteurs et d'autres métaux. "Nous commençons à déterminer si seule cette combinaison de matériaux permet cela ou si cela se produit plus largement", a déclaré Bob Sinclair, professeur Charles M. Pigott à l'école de science et d'ingénierie des matériaux de Stanford et co-auteur de l'article. « Cette découverte ouvre une toute nouvelle série d’expériences que nous pouvons tenter. Nous pourrions être sur la bonne voie pour découvrir de toutes nouvelles propriétés matérielles que nous pourrions exploiter.

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