As propriedades eletrônicas de materiais sólidos são altamente dependentes das estruturas cristalinas e de suas dimensionalidades (isto é, se os cristais têm estruturas predominantemente 2D ou 3D). Como observa o professor Takayoshi Katase do Instituto de Tecnologia de Tóquio, este fato tem um corolário importante:"Se a dimensionalidade da estrutura cristalina pode ser trocada reversivelmente no mesmo material, uma mudança drástica de propriedade pode ser controlável. "Este insight levou o Prof. Katase e sua equipe de pesquisa no Instituto de Tecnologia de Tóquio, em parceria com colaboradores da Universidade de Osaka e Instituto Nacional de Ciência de Materiais, para embarcar em pesquisas sobre a possibilidade de mudar a dimensionalidade da estrutura cristalina de um semicondutor de liga de seleneto de chumbo-estanho. Seus resultados aparecem em um artigo publicado em uma edição recente da revista revisada por pares Avanços da Ciência .

A liga de seleneto de chumbo-estanho, (Pb _1-x Sn _x ) Se é um foco apropriado para tais pesquisas porque os íons de chumbo (Pb ²⁺ ) e íons de estanho (Sn ²⁺ ) favorecem dimensionalidades cristalinas distintas. Especificamente, seleneto de chumbo puro (PbSe) tem uma estrutura cristalina 3D, enquanto o seleneto de estanho puro (SnSe) tem uma estrutura cristalina 2D. SnSe tem bandgap de 1,1 eV, semelhante ao semicondutor convencional Si. Enquanto isso, PbSe tem bandgap estreito de 0,3 eV e mostra 1 ordem de magnitude maior de mobilidade de portadores do que SnSe. Em particular, o 3D (Pb _1-x Sn _x ) O Se chamou muita atenção como isolante topológico. Isso é, a substituição de Pb por Sn no PbSe 3D reduz o intervalo de banda e, finalmente, produz um estado semelhante ao de Dirac sem intervalos. Portanto, se a dimensionalidade da estrutura de cristal pode ser alterada por tensões externas, como temperatura, isso levaria a uma transição de fase funcional gigante, como grande mudança de condutividade eletrônica e transição de estado topológico, reforçada pelas distintas mudanças na estrutura eletrônica.

A liga de PbSe e SnSe iria manipular a transição drástica na estrutura, e tal (Pb _1-x Sn _x ) A liga de Se deve induzir forte frustração em torno dos limites da fase. Contudo, não há limite de fase direto entre as fases 3D PbSe e 2D SnSe sob equilíbrio térmico. Por meio de seus experimentos, O Prof. Katase e sua equipe de pesquisa desenvolveram com sucesso um método para o crescimento de cristais de liga de chumbo-estanho-seleneto sem equilíbrio com quantidades iguais de Pb ²⁺ e Sn ²⁺ íons (ou seja, (Pb _0,5 Sn _0,5 ) Se) que sofreu transições de fase estruturais diretas entre as formas 2D e 3D com base na temperatura. Em temperaturas mais baixas, a estrutura de cristal 2D predominou, enquanto que em temperaturas mais altas, a estrutura 3D predominou. A estrutura de cristal 2D de baixa temperatura era mais resistente à corrente elétrica do que o cristal 3D de alta temperatura, e como a liga foi aquecida, seus níveis de resistividade deram um mergulho acentuado em torno das temperaturas nas quais ocorreu a transição de fase da dimensionalidade. A presente estratégia facilita a troca de dimensionalidade de estrutura diferente e troca de propriedade funcional adicional em semicondutores usando limite de fase artificial.

Em suma, a equipe de pesquisa desenvolveu uma forma de liga semicondutora (Pb _1-x Sn _x ) Se que sofre transições de fase de dimensionalidade de cristal dependentes da temperatura, e essas transições têm implicações importantes para as propriedades eletrônicas da liga. Quando questionado sobre a importância do trabalho de sua equipe, O Prof. Katase observa que esta forma do (Pb _1-x Sn _x ) A liga de Se pode "servir como uma plataforma para estudos científicos fundamentais, bem como para o desenvolvimento de novas funções em tecnologias de semicondutores." Esta liga especializada pode, Portanto, levar a novas tecnologias de semicondutores com inúmeros benefícios para a humanidade.