Ein einfacher Weg, komplexe Halbleiter dazu zu bringen, sich selbst zusammenzubauen

Durch das Stapeln extrem dünner Materialfilme übereinander können neue Materialien mit aufregenden neuen Eigenschaften entstehen. Aber die erfolgreichsten Prozesse zum Aufbau dieser Stacks können langwierig und unvollkommen sein und eignen sich nicht gut für die Produktion in großem Maßstab.

Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Stanford-Professor Hemamala Karunadasa einen viel einfacheren und schnelleren Weg gefunden, dies zu tun. Sie züchteten 2D-Schichten aus einem der begehrtesten Materialien, bekannt als Perowskite, die mit dünnen Schichten anderer Materialien in großen Kristallen verschachtelt sind, die sich selbst zusammensetzen.

Der Zusammenbau erfolgt in Fläschchen, in denen die chemischen Zutaten für die Schichten zusammen mit hantelförmigen Molekülen, die die Wirkung steuern, im Wasser herumwirbeln. Jedes Ende einer Langhantel trägt eine Schablone zum Wachsen eines Schichttyps. Während die Schichten kristallisieren – ein Prozess, der der Herstellung von Kandiszucker ähnelt – werden sie automatisch in der richtigen Reihenfolge von den Langhanteln miteinander verbunden.

Die Forscher sagen, dass ihre Methode die Grundlage dafür legt, eine breite Palette komplexer Halbleiter auf viel bewusstere Weise herzustellen, einschließlich Kombinationen von Materialien, von denen bisher nicht bekannt war, dass sie sich in Kristallen paaren.

„Anstatt Materialien Schicht für Schicht zu manipulieren“, sagte Karunadasa, „werfen wir die Ionen einfach in einen Topf mit Wasser und lassen die Ionen so zusammensetzen, wie sie sich zusammensetzen wollen. Wir können Gramm dieses Zeugs herstellen, und wir wissen, wo sich die Atome in den Kristallen befinden. Dieses Maß an Präzision ermöglicht es mir zu wissen, wie die Grenzflächen zwischen den Schichten wirklich aussehen, was wichtig ist, um die elektronische Struktur des Materials zu bestimmen – wie sich seine Elektronen verhalten.“

Halogenid-Perowskite – Materialien, die die gleiche oktaedrische Struktur wie natürlich vorkommende Perowskit-Minerale haben – werden seit den 1900er Jahren in Wasser zusammengesetzt. Sie haben ein großes Potenzial, Sonnenlicht in Solarzellen effizient zu absorbieren und in Strom umzuwandeln, aber sie sind auch notorisch instabil, insbesondere in den heißen, hell beleuchteten Umgebungen, in denen die Photovoltaik betrieben wird.

Durch die Schichtung von Perowskiten mit anderen Materialien könnten ihre Eigenschaften so kombiniert werden, dass ihre Leistung in bestimmten Anwendungen verbessert wird. Aber eine noch aufregendere Aussicht ist, dass an den Grenzflächen, wo sich Schichten treffen, völlig neue und unerwartete Eigenschaften entstehen könnten; Beispielsweise haben Wissenschaftler zuvor entdeckt, dass das Stapeln von dünnen Filmen aus zwei verschiedenen Arten von Isolatoren einen elektrischen Leiter erzeugen kann.

Es ist schwer vorherzusagen, welche Materialkombinationen sich als interessant und nützlich herausstellen werden. Darüber hinaus war die Herstellung dünnschichtiger Materialien ein langsamer, mühsamer Prozess. Schichten werden im Allgemeinen hergestellt, indem Filme, die nur ein oder zwei Atome dick sind, einzeln von einem größeren Materialstück abgezogen werden. So wird Graphen aus Graphit hergestellt, einer reinen Form von Kohlenstoff, die in Bleistiftminen verwendet wird. In anderen Fällen werden diese dünnschichtigen Materialien in winzigen Chargen bei sehr hohen Temperaturen hergestellt.

„Die Art und Weise, wie sie hergestellt werden, war nicht skalierbar und manchmal sogar schwer von einer Charge zur anderen zu reproduzieren“, sagte Karunadasa. „Das Abschälen von Schichten, die nur ein oder zwei Atome dick sind, ist Spezialarbeit; Es ist nicht etwas, was Sie und ich einfach ins Labor gehen und tun können. Diese Blätter sind wie ein sehr flexibles Kartenspiel; Wenn Sie eines herausnehmen, kann es zerknittern oder sich verziehen. Daher ist es schwierig, die genaue Struktur des endgültigen Stapels zu kennen. Es gibt sehr wenige Präzedenzfälle für Materialien, die so aussehen wie die, die wir in dieser Studie erstellt haben.“

Es wurde entdeckt, dass diese atomar dünnen Schichten die gleiche Struktur wie 3D-Blöcke aus ähnlichen Materialien haben, deren Eigenschaften bereits bekannt waren, und dass sich zwei unterschiedliche Schichten leicht verzerren müssen, um eine Grenzfläche zu teilen.

Das Erstellen der Schichtstrukturen ist genau der gleiche Prozess wie das Herstellen von Kandiszucker, bei dem Sie einen Holzdübel in eine gesättigte Zuckerlösung fallen lassen und die Zuckerkristalle sich selbst auf den Dübel keimen“, sagte Forscher Michael Aubrey. „Aber in diesem Fall sind die Ausgangsmaterialien anders und Sie brauchen keinen Dübel – im Wasser oder auf der Oberfläche des Glasfläschchens beginnen sich Kristalle zu bilden.“

Das Team stellte sechs der selbstorganisierten Materialien her, indem es Perowskite mit Metallhalogeniden oder Metallsulfiden verschachtelte, und untersuchte sie mit Röntgenstrahlen am Advanced Light