Epitaxia, ou crescimento de camadas de filme cristalino que são modeladas por um substrato cristalino, é um dos pilares da fabricação de transistores e semicondutores. Se o material em uma camada depositada é o mesmo que o material na próxima camada, pode ser energeticamente favorável para a formação de laços fortes entre os altamente ordenados, camadas perfeitamente combinadas. Em contraste, tentar camadas de materiais diferentes é um grande desafio se as estruturas de cristal não combinam facilmente. Então, as forças fracas de van der Waals criam atração, mas não formam laços fortes entre camadas diferentes.

Em um estudo liderado pelo Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, os cientistas sintetizaram uma pilha de monocamadas atomicamente finas de dois semicondutores de malha mal combinada. 1, seleneto de gálio, é um semicondutor "tipo p", ricos em carregadores chamados de "buracos". O outro, disseleneto de molibdênio, é um semicondutor "tipo n", rico em portadores de carga de elétrons. Onde as duas camadas semicondutoras se encontraram, eles formaram uma heteroestrutura atomicamente nítida chamada junção p-n, que gerou uma resposta fotovoltaica separando pares elétron-buraco que foram gerados pela luz. A conquista de criar esta célula solar atomicamente fina, publicado em Avanços da Ciência , mostra a promessa de sintetizar camadas incompatíveis para permitir novas famílias de materiais bidimensionais (2D) funcionais.

A ideia de empilhar materiais diferentes uns sobre os outros não é nova por si só. Na verdade, é a base para a maioria dos dispositivos eletrônicos em uso hoje. Mas esse empilhamento geralmente só funciona quando os materiais individuais têm estruturas de cristal que são muito semelhantes, ou seja, eles têm uma boa "correspondência de rede". É aqui que esta pesquisa inova ao cultivar camadas de alta qualidade de materiais 2D muito diferentes, ampliando o número de materiais que podem ser combinados e, assim, criando uma gama mais ampla de dispositivos eletrônicos atomicamente finos em potencial.

"Porque as duas camadas tinham uma grande incompatibilidade de rede entre elas, é muito inesperado que eles cresçam um no outro de forma ordenada, "disse Xufan Li do ORNL, autor principal do estudo. "Mas funcionou."

O grupo foi o primeiro a mostrar que monocamadas de dois tipos diferentes de calcogenetos metálicos - compostos binários de enxofre, selênio ou telúrio com um elemento ou radical mais eletropositivo - tendo tais constantes de rede diferentes, podem ser cultivados juntos para formar uma bicamada de empilhamento perfeitamente alinhada. "É um novo, potencial bloco de construção para optoeletrônica eficiente em energia, "Li disse.

Ao caracterizar seu novo bloco de construção de bicamada, os pesquisadores descobriram que as duas camadas incompatíveis se automontaram em uma ordem atômica repetitiva de longo alcance que pode ser visualizada diretamente pelos padrões de Moiré que eles mostraram no microscópio eletrônico. "Ficamos surpresos que esses padrões se alinharam perfeitamente, "Li disse.

Pesquisadores do grupo de nanomateriais híbridos funcionais de ORNL, liderado por David Geohegan, conduziu o estudo com parceiros da Vanderbilt University, a Universidade de Utah e o Centro de Pesquisa em Ciência da Computação de Pequim.

"Essas novas heteroestruturas em camadas incompatíveis 2D abrem a porta para novos blocos de construção para aplicações optoeletrônicas, "disse o autor sênior Kai Xiao do ORNL." Eles podem nos permitir estudar novas propriedades físicas que não podem ser descobertas com outras heteroestruturas 2D com redes correspondentes. Eles oferecem potencial para uma ampla gama de fenômenos físicos que vão desde o magnetismo interfacial, supercondutividade e o efeito borboleta de Hofstadter. "

Li primeiro cultivou uma monocamada de disseleneto de molibdênio, e, em seguida, cresceu uma camada de seleneto de gálio por cima. Esta técnica, chamado de "epitaxia de van der Waals, "tem esse nome devido às forças de atração fracas que mantêm camadas diferentes juntas." Com a epitaxia de van der Waals, apesar das grandes incompatibilidades de rede, você ainda pode fazer crescer outra camada na primeira, "Li disse. Usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura, a equipe caracterizou a estrutura atômica dos materiais e revelou a formação de padrões de Moiré.

Os cientistas planejam conduzir estudos futuros para explorar como o material se alinha durante o processo de crescimento e como a composição do material influencia as propriedades além da resposta fotovoltaica. A pesquisa avança os esforços para incorporar materiais 2D em dispositivos.

Por muitos anos, camadas de compostos diferentes com tamanhos de células de rede semelhantes têm sido amplamente estudadas. Diferentes elementos foram incorporados aos compostos para produzir uma ampla gama de propriedades físicas relacionadas à supercondutividade, magnetismo e termoelétrica. Mas a disposição em camadas de compostos 2D com tamanhos de células de rede diferentes é um território virtualmente inexplorado.

"Abrimos a porta para explorar todos os tipos de heteroestruturas incompatíveis, "Li disse.

O título do artigo é "Heterojunções bicamadas desajustadas de GaSe / MoSe2 bidimensionais por epitaxia de van der Waals."