Исследователи изучают рост атомно-тонких 2D-кристаллов над литографически структурированными массивами наноразмерных фигур

Возглавляемая исследователями из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США (ORNL), группа ученых исследовала, как атомно-тонкие двумерные (2D) кристаллы растут на трехмерных объектах и ​​как эти кристаллы растягиваются и растягиваются. напряжен кривизной этих объектов.

Устойчивые к деформации, треугольные, монослойные кристаллы WS2 были выращены на подложках SiO2 с рисунком в виде пончика в виде p показанные на сканирующем электронном микроскопе (внизу) и атомно-силовом микроскопе (в центре) элементы изображения. Кривизна столбов вызывала деформацию в вышележащих кристаллах, которые локально изменяли их оптоэлектронные свойства, как показано на ярких участках фотолюминесценции (вверху). (Фото предоставлено: Кристофер Руло / Национальная лаборатория Ок-Риджа, Министерство энергетики США)

Как сообщается в Science Advances последние результаты подчеркивают новый метод, в котором деформация может быть непосредственно спроектирована во время роста атомарно тонких двумерных кристаллов для разработки однофотонных излучателей для использования в квантовой обработке информации.

Первоначально исследователи исследовали рост плоских кристаллов на подложках с узкими углублениями и ступенями. Над этими плоскими препятствиями кристаллы конформно росли вверх и вниз, не изменяя своих скоростей роста и характеристик, что было довольно неожиданно.

И наоборот, изогнутые поверхности означали, что кристаллы должны растягиваться при росте на подложке, чтобы сохранить свою кристаллическую структуру. Это развитие 2D кристаллов в третьем измерении предоставило новую, интересную возможность.

Вы можете определить, какую нагрузку вы придаете кристаллу, создавая объекты для их роста. Напряжение является одним из способов создания «горячих точек» для однофотонных излучателей .

Д-р Кай Сяо, старший научный сотрудник Центра нанофазных материаловедения, Национальная лаборатория Ок-Риджа

Сяо, вместе с коллегами из ORNL – доктором наук Каем Вангом (в настоящее время в Intel) и Дэвидом Геохеганом – задумал исследование.

Когда двумерные кристаллы растут конформно и идеально по трехмерным объектам, деформация может быть потенциально локализована для создания высокоточных матриц однофотонных излучателей. Ширина запрещенной зоны материала изменяется путем сжатия или растяжения кристаллической решетки. Ширина запрещенной зоны – это запрещенная зона, которая существует между зоной проводимости и валентной зоной электронов и в основном определяет оптоэлектронные свойства материала.

Технология деформации позволит ученым направлять носители заряда для реинтеграции именно там, где это требуется, в кристалле, а не в местах случайных дефектов. Экспериментаторы настроили изогнутые объекты для локализации деформации в кристалле, а затем определили последующие сдвиги в оптических характеристиках. В конце концов они заставили соавторов в Университете Райса – теоретиков Бориса Якобсона, Генри Ю и Нитанта Гупты – воспроизвести и нанести на карту способ, которым кривизна способствует деформации во время роста кристаллов.

В ORNL Сяо и Ван вместе с Бернадетой Сриджанто разработали эксперименты, чтобы изучить, как двумерные кристаллы могут расти над литографически структурированными массивами наноразмерных форм. Фотолитографические маски первоначально использовались Сриджанто для защиты определенных областей поверхности оксида кремния во время воздействия света, и она позже стерла поверхности, которые были подвержены воздействию света, чтобы оставить позади вертикально стоящие формы, такие как ступени, конусы и пончики .

Вместе с другим постдокторским исследователем Сюфаном Ли, который в настоящее время работает в исследовательском институте Хонды), Ванг впоследствии вставил субстраты в печь, в которой испаренный оксид вольфрама прореагировал с серой и в итоге образовал дисульфид вольфрама в виде монослойных кристаллов на субстратах. Эти монослойные кристаллы росли как хорошо упорядоченная решетка атомов в безупречных треугольных плитках, которые со временем увеличивались за счет введения последовательного ряда атомов на их внешние края. 2D кристаллы, казалось, легко складывались, как бумага, по острым траншеям и высоким ступеням, но рост по изогнутым объектам заставлял 2D кристаллы растягиваться, чтобы сохранить свою идеальную треугольную форму.

Исследователи обнаружили, что в отношении однофотонных излучателей «пончики» длиной 40 нм были отличными кандидатами, потому что кристаллы могут последовательно выдерживать вызванную ими деформацию, а самая высокая деформация была именно в «дырочке» пончика. , что определяется сдвигами в комбинационном рассеянии и фотолюминесценции. В ближайшие дни массивы различных структур, в том числе пончики, возможно, можно будет структурировать везде, где предпочтительны квантовые излучатели, прежде чем выращивать кристаллы.

Фотолюминесцентное картирование использовалось Вангом и Алексом Пуретски, соавтором ORNL, чтобы показать, где именно зародились кристаллы и как быстро края треугольных кристаллов продвигались по мере их роста над пончиками. После детального изучения изображений команда с удивлением обнаружила, что, хотя кристаллы сохраняли идеальные формы, края кристаллов, натянутые пончиками, росли быстрее.

Чтобы лучше описать это феноменальное ускорение, Пурецкий создал модель роста кристаллов, в то время как коллега Мина Юн выполнила вычисления из первых принципов. Работа дуэта продемонстрировала, что деформация может вызывать дефекты на растущей кромке кристалла. Такие дефекты могут значительно увеличить число центров зародышеобразования, которые вызывают рост кристаллов вдоль края, что позволяет ему расти быстрее, чем раньше.

Соответствие и кривизна являются факторами, которые заставляют кристаллы легко расти вверх и вниз по глубоким траншеям и становиться натянутыми мелкими пончиками. Здесь можно рассмотреть пример упаковки подарков. Коробки легко обернуть, потому что бумага легко складывается и приспосабливается к форме. Однако неупакованную кружку или другие предметы неправильной формы с изгибами нельзя обернуть конформно (чтобы не порвать бумагу, ее нужно растянуть, как пластиковую пленку.)

Аналогично, двумерные кристаллы растягиваются, чтобы соответствовать кривым подложки. Однако деформация в конечном итоге становится чрезмерной, и кристаллы растрескиваются, чтобы высвободить деформацию, как показали атомно-силовая микроскопия и другие методы. Как только кристалл раскололся, рост все еще напряженного материала продолжается, но в разных направлениях для каждой новой руки. Чжили Ху в Нанкинском университете аэронавтики и астронавтики выполнил имитацию фазового поля кристаллического разветвления, а Менгкун Тиан (ранее из Университета Теннесси) и Сян Гао из ORNL исследовали атомную структуру кристаллов с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии

.

Результаты предоставляют захватывающие возможности взять двумерные материалы и вертикально интегрировать их в третье измерение для электроники следующего поколения.

Д-р Кай Сяо, старший научный сотрудник Центра нанофазных материаловедения, Национальная лаборатория Ок-Риджа

В настоящее время исследователи планируют выяснить, можно ли дополнительно улучшить работу материалов, изготовленных по индивидуальному заказу, путем деформации.

Мы исследуем, как деформация кристалла может облегчить индукцию изменения фазы, чтобы кристалл приобрел совершенно новые свойства. В Центре нанофазных материаловедения мы разрабатываем инструменты, которые позволят нам исследовать эти структуры и их квантовые информационные аспекты .

Д-р Кай Сяо, старший научный сотрудник Центра нанофазных материаловедения, Национальная лаборатория Ок-Риджа

Статья озаглавлена ​​«Устойчивость к деформации двумерного роста кристаллов на изогнутых поверхностях».

Материальный рост и оптические и структурные характеристики были поддержаны Министерством науки Министерства энергетики. Эти эксперименты были проведены в Центре нанофазных материаловедения, Учебном центре Министерства науки США. В исследовании также использовались ресурсы Национального научно-вычислительного центра по энергетическим исследованиям, который также является Министерством естествознания Министерства энергетики США. Грант Бюро военно-морских исследований поддержал работу в Университете Райса.

Source link