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让复杂的半导体自组装

2021/9/22 15:45:08      材料来源:化合物半导体

这一新方法将2D钙钛矿与其他2D材料精确分层,以生产具有广泛电子特性的晶体。


将极薄的材料薄膜堆叠在一起可以创造出具有令人兴奋的新特性的新材料。但是,构建这些堆栈最成功的过程可能既乏味又不完美,并且不太适合大规模生产。

 

现在,由斯坦福大学教授 Hemamala Karunadasa 领导的团队创​​造了一种更简单、更快捷的方法。他们生长了一种最受欢迎的钙钛矿材料的二维层,这种材料与其他材料的薄层交错在一起,形成大型晶体,并自行组装。

 

这种组装是在小瓶中进行的,在小瓶中,其中层的化学成分与指挥这种作用的杠铃状分子一起在水中翻滚。杠铃的每一端都带有一个模板,用于生长一种类型的层。当这些层结晶时——这一过程类似于制作冰糖——杠铃会自动按正确的顺序将它们连接在一起。

 

上图显示了两种 2D 材料层——钙钛矿(蓝色)和金属卤化物(黄色)——是如何利用在水中翻滚的化学物质(左)进行组装的。

 

“真正酷的是这些复杂的层状材料会自发结晶,”研究期间Karunadasa 所在实验室的博士后研究员Michael Aubrey说。

 

研究人员表示,他们的方法为以更深思熟虑的方式制造各种复杂半导体奠定了基础,包括在以前没有已知的晶体对材料的组合。他们在今天发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了这项工作。

 

Karunadasa是美国能源部SLAC国家加速器实验室斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员,他说:“我们对这种可以扩展到多种材料的总体策略感到非常兴奋。”。

 

“与其一次只处理一层材料,”她说,“我们只是将离子扔进一壶水中,让离子按照它们想要的方式组装。我们可以制造出数克这种东西,并且我们知道原子在晶体中的位置。这种精度水平使我能够知道层之间的界面究竟是什么样子,这对于确定材料的电子结构非常重要——它的电子是如何表现的”

 

制作容易,堆叠难

 

Aubrey 说,卤化物钙钛矿——与天然钙钛矿具有相同八面体结构的材料——自 20世纪以来一直在水中组装。它们在有效吸收太阳能电池中的阳光并将其转化为电能方面具有很大的潜力,但它们也非常不稳定,尤其是在光伏发电运行的炎热、明亮的环境中。

 

将钙钛矿与其他材料分层可以将它们的特性结合起来,以提高它们在特定应用中的性能。但更令人兴奋的前景是,在各层相交的界面上可能会出现全新的、意想不到的特性。例如,科学家们之前已经发现,将两种不同类型的绝缘体的薄膜堆叠起来可以形成电导体。

 

很难预测哪种材料组合会变得有趣和有用。更重要的是,制作薄层材料是一个缓慢而艰苦的过程。这些层通常是通过从一大块材料上剥离只有一两个原子厚的薄膜,一次剥离一个。这就是石墨烯是如何由石墨制成的,石墨是铅笔芯中使用的一种纯碳。在其他情况下,这些薄层材料是在非常高的温度下小批量生产的。

 

“它们的制作方式不具有可扩展性,有时甚至难以从一批复制到另一批,”Karunadasa 说。 “剥离只有一两个原子厚的层是一项专门的工作;这不是你我可以进入实验室做的事情。这些层就像一副非常灵活的卡片;当你拿出一张时,它可能会皱缩或弯曲。所以很难知道最后一层的确切结构。对于材料来说,几乎没有先例看起来就像我们在这项研究中创造的那些。”

 

冰糖合成

 

这项工作源于研究合著者 Abraham Saldivar Valdes 的研究,他是当时Karunadasa小组的研究生。在几年的时间里,他开发了让分层结构自行组装的新方法,研究生 Bridget Connor进一步扩展了这一方法。同时,Aubrey 发现它们的原子薄层与性质已知的类似材料的 3D 块具有相同的结构,他跟踪了两个不同的层如何轻微变形以共享一个界面。他还在研究生 Kurt Lindquist 的帮助下研究了最终产品的光学特性。

 

制作层状结构与“制作冰糖的过程完全相同,将木销放入饱和糖溶液中,糖果晶体会自行播种到木销上。” Aubrey 说,“但在这种情况下,起始材料不同,你不需要定位销——晶体将开始在水中或玻璃瓶表面形成。”

 

该团队制造了六种自组装材料,将钙钛矿与金属卤化物或金属硫化物交错,并在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源中用 X 射线检查它们。

 

在大多数结构中,杠铃分子将各层稍微分开。但是在其中一个中,杠铃分子使各层直接相互接触,因此它们可以形成化学键。

 

Karunadasa 说:“我们对这种层级相连的结构感到特别兴奋,因为它可能会产生紧急特性,例如分布在两层之间的电子激发。”

 

“在这种特殊情况下,当我们用光撞击材料以释放电子并产生带正电的空穴时,我们发现电子主要在一种类型的层中,而空穴主要在另一种类型中。这在我们的领域很重要,因为它允许您调整这两种环境以获得您想要的电子行为。”

 

有了这项新技术,Aubrey说:“我们现在正在进行大量探索,以发现可以用它制造出什么样的结构。”

 

来自加州大学伯克利分校和伯克利实验室的 Marina Filip 和 Jeffrey Neaton 在这项工作中进行了电子结构计算。这项研究由美国能源部科学办公室资助。 ALS 是一个科学用户设施办公室,还有另外两个为这项研究进行计算的设施:国家能源研究科学计算中心 (NERSC) 和橡树岭领导计算设施。

 

参考资料

Ref Michael Aubrey et al., Nature, 15 September 2021 (10.1038/s41586-021-03810-x)

 

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