Ученые вырастили тонкие пленки из двух разных кристаллических материалов друг на друге, используя инновационную технику, называемую «дативной эпитаксией». Исследователи неожиданно обнаружили этот метод.
Как объясняет физик из Университета Буффало Хао Цзэн, эпитаксия в дательном падеже скрепляет слои различных материалов за счет слабой силы притяжения между материалами в сочетании с случайными химическими связями, называемыми «дательными связями».
«Я сравниваю это с укладкой деревянного пола в вашем доме», - говорит Цзэн, профессор физики Колледжа искусств и наук Университета Нью-Йорка. «Вы вбиваете несколько гвоздей, чтобы закрепить деревянные доски на поверхности. Дательный падеж похож на эти гвозди».
Это интересное исследование, говорит Цзэн, потому что новые способы наслаивания пленки «могут иметь далеко идущие последствия в области полупроводников, квантовых технологий и возобновляемых источников энергии».
Цзэн и его коллеги сообщают об эпитаксии в дательном падеже в мартовской статье в Advanced Materials. Исследование было опубликовано группой из США, Китая и Сингапура под руководством Зенга, доктора философии, и Менъинг Бяна, доктора философии, в UB; Лян Чжу, доктор философии, и Цзюньхао Линь, доктор философии, в Южном университете науки и технологии; и Янлун Хоу, доктор философии, Пекинский университет.
«Случайное» открытие
«Мы не начали с идеи эпитаксии дательного падежа», - говорит Цзэн. «Я бы сказал, что это было случайное открытие. Сначала мы пытались вырастить атомарно тонкие магниты на слое ван-дер-ваальсова материала, который действует как шаблон для продвижения 2D-роста».
В рамках этого процесса изготовления магнитов Биан, постдокторант по физике UB, вырастил сверхтонкий слой теллурида хрома поверх сверхтонкого «монослоя» диселенида вольфрама.
Ученые думали, что две пленки будут удерживаться вместе только за счет слабого притяжения между материалами, известного как сила Ван-дер-Ваальса. Но взгляд под микроскопом обнаружил нечто неожиданное.
«Когда Мэнъинг вошел в офис и показал мне это очень красивое изображение, сделанное под микроскопом, мы сразу поняли, что в нем что-то необычное», - вспоминает Цзэн. «Кристаллы выглядели так, как будто они были идеально выровнены друг с другом, и такое идеальное выравнивание предполагало, что это может быть не эпитаксия Ван-дер-Ваальса, которую мы ожидали. В эпитаксии Ван-дер-Ваальса ориентация слоев не может контролироваться очень точно, потому что слои не сильно взаимодействуют друг с другом."
После дальнейшего экспериментального и теоретического анализа в сотрудничестве с Ренатом Сабирьяновым, доктором философии, из Университета Небраски в Омахе, исследователи пришли к выводу, что в дополнение к силе Ван-дер-Ваальса два фильма соединялись «спорадическими» дательными связями..
Затем последовал еще один сюрприз. Когда Цзэн искал существующую литературу по эпитаксии дательного падежа, он нашел только одну: недавнюю теоретическую работу, предсказывающую эпитаксию Ван-дер-Ваальса, усиленную связью дательного падежа. Исследованием руководил - опять же по счастливой случайности - его давний сотрудник в Политехническом институте Ренсселера Шэнбай Чжан, доктор философии. Чжан «был очень взволнован, узнав, что наше экспериментальное открытие подтвердило его гипотезу», - говорит Цзэн.
'Принцип Златовласки' эпитаксии
UB подал предварительную заявку на патент на методы эпитаксии дательного падежа и надеется расширить это исследование посредством сотрудничества с отраслевыми и исследовательскими партнерами. Зенг и Биан говорят, что этот метод представляет собой «принцип Златовласки», когда речь идет о наслоении кристаллических пленок.
Эпитаксия включает выращивание одного кристаллического материала на другой кристаллической подложке с четко определенной ориентацией между ними. Обычная эпитаксия требует, чтобы два материала имели одинаковое расстояние решетки, которое связано с расстоянием между атомами. Эпитаксия Ван-дер-Ваальса преодолевает это препятствие, но может привести к тому, что кристаллы будут расти в неправильном направлении.
"Дативная эпитаксия обходит строгие требования к согласованию решетки в традиционной эпитаксии, а также использует преимущества образования специальных химических связей для фиксирования ориентации кристалла", - говорит Биан.
«Дательная эпитаксия может позволить выращивать более широкий спектр материалов. Это действительно дает людям большую гибкость и выбор», - говорит Цзэн. «Это принцип Златовласки в эпитаксии: он сочетает в себе преимущества традиционных и ван-дер-ваальсовых методов эпитаксии, но устраняет недостатки обоих».
Учитывая эти преимущества, Цзэн говорит: «Наш метод может открыть двери для высококачественного эпитаксиального роста различных сложных полупроводниковых тонких пленок, таких как потенциально арсенид галлия или нитрид галлия на кремниевых пластинах. Интеграция этих материалы очень важны для полупроводниковой промышленности, что было давней проблемой из-за ограничений других форм эпитаксии."
Исследование в основном финансировалось Национальным научным фондом США; Министерство энергетики США; Национальная ключевая программа исследований и разработок Китая; и Национальный фонд естественных наук Китая. Грант вице-президента UB по исследованиям и экономическому развитию обеспечил начальное финансирование исследования.