複雑な半導体を組み立てる簡単な方法

非常に薄い材料のフィルムを互いに積み重ねることで、刺激的な新しい特性を備えた新しい材料を作成できます。しかし、これらのスタックを構築するための最も成功したプロセスは、面倒で不完全な場合があり、大規模な生産にはあまり適していません。

現在、スタンフォード大学のHemamala Karunadasa教授が率いるチームは、それを行うためのはるかに簡単で高速な方法を作成しました。彼らは、ペロブスカイトとして知られる最も人気のある材料の1つの2D層を成長させ、他の材料の薄層とインターリーブして、大きな結晶を作り上げました。

組み立ては、層の化学成分が作用を指示するバーベル型の分子とともに水中で転がるバイアルで行われます。バーベルの両端には、1種類のレイヤーを成長させるためのテンプレートがあります。層が結晶化すると（氷砂糖を作るのと同様のプロセス）、バーベルがそれらを適切な順序で自動的にリンクします。

研究者たちは、彼らの方法が、これまで結晶で対になることが知られていない材料の組み合わせを含む、はるかに慎重な方法で多種多様な複雑な半導体を作るための基礎を築くと述べています。

カルナダサ氏は、「材料を一度に1層ずつ操作するのではなく、イオンを鍋に入れて、思い通りにイオンを組み立てるだけです。私たちはこのようなもののグラムを作ることができます、そして私たちは原子が結晶のどこにあるかを知っています。このレベルの精度により、層間の界面が実際にどのように見えるかを知ることができます。これは、材料の電子構造、つまり電子の振る舞いを決定するために重要です。」

ハロゲン化物ペロブスカイト（天然に存在するペロブスカイト鉱物と同じ八面体構造を持つ材料）は、1900年代から水中で組み立てられてきました。太陽電池で太陽光を効率的に吸収して電気に変換する可能性は大いにありますが、特に太陽光発電が動作する高温で明るい環境では、不安定なことでも有名です。

ペロブスカイトを他の材料と重ねることで、特定の用途での性能を向上させる方法でそれらの特性を組み合わせることができます。しかし、さらにエキサイティングな見通しは、レイヤーが出会うインターフェイスでまったく新しい予期しないプロパティが出現する可能性があることです。たとえば、科学者は以前、2つの異なるタイプの絶縁体の薄膜を積み重ねると導電体ができることを発見しました。

どの材料の組み合わせが面白くて役立つかを予測するのは難しいです。さらに、薄層の材料を作ることは、時間がかかり、骨の折れるプロセスでした。層は一般に、材料のより大きな塊から、一度に1つずつ、わずか1つまたは2つの原子の厚さのフィルムを剥離することによって作成されます。このようにして、鉛筆の芯に使用される純粋な炭素の形であるグラファイトからグラフェンが作られます。その他の場合、これらの薄層材料は非常に高温で小さなバッチで作られます。

「それらの作成方法はスケーラブルではなく、バッチ間で再現するのが難しい場合もあります」とKarunadasa氏は述べています。 「わずか1〜2原子の厚さの層を剥がすのは、特殊な作業です。それはあなたと私が研究室に行って行うことができるものではありません。これらのシートは、非常に柔軟なトランプのデッキのようなものです。あなたが1つを取り出すとき、それはしわくちゃになるか、座屈することができます。したがって、最終的なスタックの正確な構造を知ることは困難です。この調査で作成したもののように見える資料の前例はほとんどありません。」

これらの原子的に薄い層は、特性がすでにわかっている同様の材料の3Dブロックと同じ構造を持ち、2つの異なる層が界面を共有するためにわずかに歪む必要があることが発見されました。

層状構造を作成することは、氷砂糖を作るのとまったく同じプロセスです。そこでは、木製のダボを飽和砂糖溶液に落とし、キャンディーの結晶がダボに種をまきます」と研究者のマイケルオーブリーは言いました。 「しかし、この場合、出発材料は異なり、ダボは必要ありません。結晶は水中またはガラスバイアルの表面で形成され始めます。」

チームは、ペロブスカイトを金属ハロゲン化物または金属硫化物とインターリーブして、6つの自己組織化材料を作成し、AdvancedLightでX線で調べました。