Ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα κατηγορία δισδιάστατων υλικών

Οι ερευνητές ανέπτυξαν μια νέα κατηγορία δισδιάστατων υλικών.

Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τους επιστήμονες και τους μηχανικούς του UCLA έχει αναπτύξει μια μέθοδο για να δημιουργήσουν νέα είδη τεχνητών υλικών (superlattices) που αποτελούνται από εναλλασσόμενα στρώματα εξαιρετικά λεπτών δισδιάστατων φύλλων, τα οποία έχουν πάχος μόνο ενός ή μερικών ατόμων.

Σε αντίθεση με τις σύγχρονες υπερκατασκευές, στις οποίες τα εναλλασσόμενα στρώματα έχουν παρόμοιες ατομικές δομές και επομένως παρόμοιες ηλεκτρονικές ιδιότητες, αυτά τα εναλλασσόμενα στρώματα μπορούν να έχουν ριζικά διαφορετικές δομές, ιδιότητες και λειτουργίες, κάτι που δεν υπήρχε προηγουμένως.

Για παράδειγμα, ενώ ένα στρώμα αυτού του νέου τύπου superlattice μπορεί να επιτρέψει μια γρήγορη ροή ηλεκτρονίων μέσω αυτού, ο άλλος τύπος στρώματος μπορεί να λειτουργήσει ως μονωτής. Αυτό το σχέδιο περιορίζει τις ηλεκτρονικές και οπτικές ιδιότητες σε μεμονωμένα ενεργά στρώματα και τους εμποδίζει να παρεμβαίνουν σε άλλες μονωτικές στρώσεις.

Τέτοιες υπερκατασκευές μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για βελτιωμένες και νέες κατηγορίες ηλεκτρονικών και οπτοηλεκτρονικών συσκευών, όπως οι εξαιρετικά αποδοτικοί ημιαγωγοί για τρανζίστορ σε υπολογιστές και έξυπνες συσκευές, καθώς και σε προηγμένα LED και λέιζερ.

Σε σύγκριση με τη συμβατική συναρμολόγησης τύπου layer-by-layer χρησιμοποιείται σήμερα για τη δημιουργία 2D superlattices, η νέα διαδικασία που καθοδηγείται από το UCLA για την κατασκευή superlattices από 2D υλικά είναι πολύ πιο γρήγορη και πιο αποτελεσματική. Το πιο σημαντικό είναι ότι η νέα μέθοδος αποδίδει καλύτερα και ευκολότερα σε υπερκατασκευές με δεκάδες, εκατοντάδες ή και χιλιάδες εναλλασσόμενες στρώσεις, κάτι που δεν είναι ακόμη δυνατό με άλλες προσεγγίσεις.

Αυτή η νέα κατηγορία superlattices εναλλάσσει τα 2D φύλλα ατομικών κρυστάλλων που είναι διαμελισμένα με μόρια διαφόρων σχημάτων και μεγεθών. Στην πραγματικότητα, αυτό το μοριακό στρώμα γίνεται το δεύτερο φύλλο, επειδή κρατιέται στη θέση του από τις δυνάμεις “van der Waals”, και τις αδύναμες ηλεκτροστατικές δυνάμεις για να διατηρούν τα ουδέτερα μόρια συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αυτά τα νέα superlattices ονομάζονται μονοστρωματικές μοριακές δισδιάστατων ατομικών κρυστάλλων (αγγλικά: monolayer atomic crystal molecular superlattices).

«Οι παραδοσιακοί δισδιάστατοι ημιαγωγοί συνήθως κατασκευάζονται μόνο από υλικά με πολύ παρόμοια συμμετρία πλέγματος, και συνήθως με μάλλον παρόμοιες ηλεκτρονικές δομές», δήλωσε ο κύριος ερευνητής μελέτης, ο Yu Huang. «Για πρώτη φορά δημιουργήσαμε σταθερές δομές υπερκατασκευών με ριζικά διαφορετικές στρώσεις, αλλά σχεδόν τέλειες ατομικές μοριακές ρυθμίσεις μέσα σε κάθε στρώμα. Αυτή η νέα κατηγορία δομών υπερυψηλότητας έχει προσαρμόσιμες ηλεκτρονικές ιδιότητες για πιθανές τεχνολογικές εφαρμογές και περαιτέρω επιστημονικές μελέτες».

Η νέα μέθοδος για τη δημιουργία μονοστοιβάδων μοριακών υπερκαλύψεων ατομικών κρυστάλλων χρησιμοποιεί μια διαδικασία που ονομάζεται “ηλεκτροχημική παρεμβολή”, στην οποία εφαρμόζεται αρνητική τάση. Αυτό εισάγει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στο 2D υλικό. Στη συνέχεια, αυτό προσελκύει θετικά φορτισμένα μόρια Αμμωνίου μέσα στους χώρους, μεταξύ των ατομικών στρωμάτων. Αυτά τα μόρια Αμμωνίου συναρμολογούνται αυτόματα σε νέα στρώματα στην οργανωμένη κρυσταλλική δομή, δημιουργώντας ένα superlattice .