Tolerante à tensão, triangular, cristais de monocamada de WS2 foram cultivados em substratos de SiO2 padronizados com pilares em forma de donut, como mostrado em elementos de imagem do microscópio eletrônico de varredura (inferior) e do microscópio de força atômica (meio). A curvatura dos pilares induziu tensão nos cristais sobrejacentes que alteraram localmente suas propriedades optoeletrônicas, como mostrado em regiões brilhantes de fotoluminescência (topo). Crédito:Christopher Rouleau / Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA
Uma equipe liderada por cientistas do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia explorou como cristais bidimensionais (2-D) atomicamente finos podem crescer sobre objetos 3-D e como a curvatura desses objetos pode esticar e esticar os cristais. As evidências, publicado em Avanços da Ciência , apontam para uma estratégia de engenharia de tensão diretamente durante o crescimento de cristais atomicamente finos para fabricar emissores de fóton único para processamento de informações quânticas.
A equipe explorou primeiro o crescimento dos cristais planos em substratos padronizados com degraus e trincheiras afiadas. Surpreendentemente, os cristais cresceram de maneira conformada para cima e para baixo nesses obstáculos planos, sem alterar suas propriedades ou taxas de crescimento. Contudo, as superfícies curvas exigiam que os cristais se esticassem à medida que cresciam para manter sua estrutura cristalina. Este crescimento de cristais 2-D na terceira dimensão apresentou uma oportunidade fascinante.
"Você pode projetar a quantidade de tensão que transmite a um cristal projetando objetos para eles crescerem, "disse Kai Xiao, que com os colegas do ORNL David Geohegan e o pesquisador de pós-doutorado Kai Wang (agora na Intel) conceberam o estudo. "Strain é uma maneira de fazer 'pontos quentes' para emissores de fóton único."
O crescimento conforme de cristais 2-D perfeitos sobre objetos 3-D tem a promessa de localizar a tensão para criar matrizes de alta fidelidade de emissores de fóton único. Esticar ou comprimir a estrutura do cristal muda o gap do material, a lacuna de energia entre as bandas de valência e condução dos elétrons, que determina em grande parte as propriedades optoeletrônicas de um material. Usando engenharia de deformação, os pesquisadores podem canalizar os portadores de carga para recombinar precisamente onde desejado no cristal, em vez de em locais de defeitos aleatórios. Ao adaptar objetos curvos para localizar tensão no cristal, e então medir as mudanças resultantes nas propriedades ópticas, os experimentalistas compeliram co-autores na Rice University - teóricos Henry Yu, Nitant Gupta e Boris Yakobson - para simular e mapear como a curvatura induz tensão durante o crescimento do cristal.
No ORNL, Wang e Xiao projetaram experimentos com Bernadeta Srijanto para explorar o crescimento de cristais 2-D em matrizes litograficamente padronizadas de formas em nanoescala. Srijanto primeiro usou máscaras de fotolitografia para proteger certas áreas de uma superfície de óxido de silício durante a exposição à luz, e, em seguida, decapou as superfícies expostas para deixar formas em pé verticalmente, incluindo donuts, cones e degraus. Wang e outro pesquisador de pós-doutorado, Xufan Li (agora no Honda Research Institute), em seguida, inseriu os substratos em um forno onde o óxido de tungstênio vaporizado e o enxofre reagiram para depositar dissulfeto de tungstênio nos substratos como cristais de monocamada. Os cristais cresceram como uma rede ordenada de átomos em ladrilhos triangulares perfeitos que aumentaram com o tempo, adicionando fileira após fileira de átomos às suas bordas externas. Enquanto os cristais 2-D pareciam se dobrar sem esforço como papel sobre degraus altos e trincheiras afiadas, o crescimento sobre objetos curvos forçou os cristais a se esticarem para manter sua forma triangular.
Os cientistas descobriram que "donuts" de 40 nanômetros de altura eram ótimos candidatos para emissores de fóton único, porque os cristais podiam tolerar de forma confiável a tensão induzida. e a tensão máxima foi precisamente no "buraco" do donut, medido por mudanças na fotoluminescência e espalhamento Raman. No futuro, arranjos de donuts ou outras estruturas podem ser padronizados em qualquer lugar em que os emissores quânticos sejam desejados antes que os cristais cresçam.
Wang e o co-autor do ORNL, Alex Puretzky, usaram o mapeamento fotoluminescente para revelar onde os cristais se nucleavam e com que rapidez cada borda do cristal triangular progredia à medida que crescia sobre os donuts. Após análise cuidadosa das imagens, eles ficaram surpresos ao descobrir que, embora os cristais mantivessem suas formas perfeitas, as bordas dos cristais que foram esticadas por donuts cresceram mais rápido.
Para explicar essa aceleração, Puretzky desenvolveu um modelo de crescimento de cristal, e a colega Mina Yoon conduziu cálculos de primeiros princípios. Seu trabalho mostrou que a deformação tem maior probabilidade de induzir defeitos na borda de crescimento de um cristal. Esses defeitos podem multiplicar o número de locais de nucleação que semeiam o crescimento do cristal ao longo de uma borda, permitindo que cresça mais rápido do que antes.
A razão pela qual os cristais podem crescer facilmente para cima e para baixo em trincheiras profundas, mas ficar tenso por donuts rasos, tem a ver com conformidade e curvatura. Imagine embrulhar presentes. As caixas são fáceis de embrulhar porque o papel pode dobrar de acordo com o formato. Mas um objeto de formato irregular com curvas, como uma caneca fora da caixa, é impossível embrulhar conformalmente (para evitar rasgar o papel, você teria que ser capaz de esticá-lo como um filme plástico.)
Os cristais 2-D também se alongam para se conformar às curvas do substrato. Eventualmente, Contudo, the strain becomes too great and the crystals split to release the strain, atomic force microscopy and other techniques revealed. After the crystal cracks, growth of the still-strained material proceeds in different directions for each new arm. At Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Zhili Hu performed phase-field simulations of crystal branching. Xiang Gao of ORNL and Mengkun Tian (formerly of the University of Tennessee) analyzed the atomic structure of the crystals by scanning transmission electron microscopy.
"The results present exciting opportunities to take two-dimensional materials and vertically integrate them into the third dimension for next-generation electronics, " said Xiao.
Next the researchers will explore whether strain can enhance the performance of tailored materials. "We're exploring how the strain of the crystal can make it easier to induce a phase change so the crystal can take on entirely new properties, " Xiao said. "At the Center for Nanophase Materials Sciences, we're developing tools that will allow us to probe these structures and their quantum information aspects."
The title of the paper is "Strain tolerance of two-dimensional crystal growth on curved surfaces."
