חוקרים מוסיפים 'טוויסט' לעיצוב החומר הקלאסי

חוקרים מוסיפים 'טוויסט' לעיצוב החומר הקלאסי

חותמת זמן: 24 בינואר 2024 11:23
צומת המקור: 3083160
יאן 24, 2024

(חדשות 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.” טֶקסט כּוֹתֶרֶת

הוספת שכבות, עם טוויסט

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 מדע (“Twisted epitaxy of gold nanodisks grown between twisted substrate layers of molybdenum disulfide”), הוסיפו חוקרים שכבה של זהב בין שתי יריעות של חומר מוליך למחצה מסורתי, מוליבדן דיסולפיד (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 שכבה, הזהב שמח להתיישר איתה, אז שום טוויסט לא קורה", אמר קוי, הסטודנט לתואר שני. "אבל עם שני MoS מעוותים2 גיליונות, הזהב לא בטוח מיושר עם השכבה העליונה או התחתונה. הצלחנו לעזור לזהב לפתור את הבלבול שלו וגילינו קשר בין הכיוון של Au לזווית הפיתול של MoS דו-שכבתי2".

ננו-דיסקיות זהב לזוז

כדי לחקור את שכבת הזהב בפירוט, צוות החוקרים ממכון סטנפורד למדעי החומרים והאנרגיה (SIMES) ו-LBNL חיממו דגימה של המבנה כולו ל-500 מעלות צלזיוס. לאחר מכן הם שלחו זרם של אלקטרונים דרך הדגימה באמצעות טכניקה הנקראת מיקרוסקופ אלקטרונים העברה (TEM), שחשפה את המורפולוגיה, הכיוון והמתח של ננו-דיסקיות הזהב לאחר חישול בטמפרטורות שונות. מדידת המאפיינים הללו של ננו-דיסקים מזהב הייתה צעד ראשון הכרחי לקראת ההבנה כיצד ניתן לתכנן את המבנה החדש עבור יישומים בעולם האמיתי בעתיד. "ללא המחקר הזה, לא היינו יודעים אם פיתול שכבת מתכת אפיטקסיאלית על גבי מוליך למחצה בכלל אפשרי", אמר Cui, הסטודנט לתואר שני. "מדידה של המבנה התלת-שכבתי המלא במיקרוסקופ אלקטרוני אישרה שזה לא רק אפשרי, אלא גם שניתן לשלוט במבנה החדש בדרכים מרגשות". בשלב הבא, החוקרים רוצים להמשיך ולחקור את המאפיינים האופטיים של ננו-דיסקיות הזהב באמצעות TEM וללמוד אם העיצוב שלהם משנה מאפיינים פיזיים כמו מבנה הלהקה של Au. הם גם רוצים להרחיב את הרעיון הזה כדי לנסות לבנות מבנים תלת-שכבתיים עם חומרים מוליכים למחצה אחרים ומתכות אחרות. "אנחנו מתחילים לחקור אם רק שילוב זה של חומרים מאפשר זאת או אם זה קורה בצורה רחבה יותר," אמר בוב סינקלייר, פרופסור צ'ארלס מ. פיגוט בבית הספר למדעים והנדסת חומרים בסטנפורד ומחבר שותף במאמר. "הגילוי הזה פותח סדרה חדשה לגמרי של ניסויים שאנחנו יכולים לנסות. אנחנו יכולים להיות בדרך למצוא תכונות חומר חדשות שנוכל לנצל".

בול זמן:

עוד מ ננוווק