Een eenvoudige manier om complexe halfgeleiders zichzelf te laten assembleren

Door extreem dunne materiaalfilms op elkaar te stapelen, kunnen nieuwe materialen met opwindende nieuwe eigenschappen ontstaan. Maar de meest succesvolle processen voor het bouwen van die stapels kunnen vervelend en onvolmaakt zijn en niet goed geschikt voor grootschalige productie.

Nu heeft een team onder leiding van Stanford-professor Hemamala Karunadasa een veel eenvoudigere en snellere manier bedacht om dit te doen. Ze groeiden 2D-lagen van een van de meest gewilde materialen, bekend als perovskieten, verweven met dunne lagen van andere materialen in grote kristallen die zichzelf assembleren.

De assemblage vindt plaats in flesjes waar de chemische ingrediënten voor de lagen in het water rond tuimelen, samen met haltervormige moleculen die de actie sturen. Elk uiteinde van een halter heeft een sjabloon voor het kweken van één type laag. Terwijl de lagen kristalliseren - een proces dat vergelijkbaar is met het maken van rock candy - koppelen de halters ze automatisch in de juiste volgorde aan elkaar.

De onderzoekers zeggen dat hun methode de basis legt voor het maken van een breed scala aan complexe halfgeleiders op een veel meer doelbewuste manier, inclusief combinaties van materialen waarvan nog niet eerder bekend was dat ze in kristallen paren.

"In plaats van materialen laag voor laag te manipuleren," zei Karunadasa, "gooien we de ionen gewoon in een pan met water en laten we de ionen assembleren zoals ze willen. We kunnen grammen van dit spul maken en we weten waar de atomen in de kristallen zijn. Dit precisieniveau stelt me ​​in staat te weten hoe de interfaces tussen de lagen er echt uitzien, wat belangrijk is voor het bepalen van de elektronische structuur van het materiaal - hoe de elektronen zich gedragen."

Halide perovskieten - materialen die dezelfde octaëdrische structuur hebben als natuurlijk voorkomende perovskietmineralen - worden sinds de jaren 1900 in water geassembleerd. Ze hebben veel potentieel om zonlicht in zonnecellen efficiënt te absorberen en om te zetten in elektriciteit, maar ze zijn ook notoir onstabiel, vooral in de hete, schitterend verlichte omgevingen waarin fotovoltaïsche cellen werken.

Door perovskieten in lagen te leggen met andere materialen, kunnen hun eigenschappen worden gecombineerd op manieren die hun prestaties in specifieke toepassingen verbeteren. Maar een nog opwindender vooruitzicht is dat er geheel nieuwe en onverwachte eigenschappen kunnen ontstaan ​​op de grensvlakken waar lagen samenkomen; wetenschappers hebben bijvoorbeeld eerder ontdekt dat het stapelen van dunne films van twee verschillende soorten isolatoren een elektrische geleider kan creëren.

Het is moeilijk te voorspellen welke combinaties van materialen interessant en nuttig zullen blijken te zijn. Bovendien is het maken van dun gelaagde materialen een langzaam en nauwgezet proces geweest. Lagen worden over het algemeen gemaakt door films van slechts één of twee atomen dik, één voor één, van een groter stuk materiaal af te pellen. Zo wordt grafeen gemaakt van grafiet, een pure vorm van koolstof die wordt gebruikt in potloodstiften. In andere gevallen worden deze dun gelaagde materialen in kleine batches bij zeer hoge temperaturen gemaakt.

"De manier waarop ze zijn gemaakt, was niet schaalbaar en soms zelfs moeilijk te reproduceren van de ene batch naar de andere," zei Karunadasa. “Het afpellen van lagen die maar één of twee atomen dik zijn, is specialistisch werk; het is niet iets dat jij en ik zomaar in het lab kunnen doen. Deze vellen zijn als een zeer flexibel spel kaarten; wanneer u er een uithaalt, kan deze kreukelen of vastlopen. Het is dus moeilijk om de exacte structuur van de uiteindelijke stapel te kennen. Er is weinig precedent voor materialen die lijken op de materialen die we in dit onderzoek hebben gemaakt.”

Er werd ontdekt dat deze atomair dunne lagen dezelfde structuur hadden als 3D-blokken van vergelijkbare materialen waarvan de eigenschappen al bekend waren en dat twee verschillende lagen licht moeten vervormen om een ​​interface te delen.

Het creëren van de gelaagde structuren is precies hetzelfde proces als het maken van rock candy, waarbij je een houten deuvel in een verzadigde suikeroplossing laat vallen en de snoepkristallen zichzelf op de plug zaaien, "zei onderzoeker Michael Aubrey. "Maar in dit geval zijn de uitgangsmaterialen anders en heb je geen plug nodig - er zullen zich kristallen gaan vormen in water of op het oppervlak van de glazen injectieflacon."

Het team maakte zes van de zelf-geassembleerde materialen, waarbij perovskieten werden vermengd met metaalhalogeniden of metaalsulfiden en onderzocht ze met röntgenstralen bij de Advanced Light