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(noticias nanowerk) Investigadores del Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC del Departamento de Energía de EE. UU., la Universidad de Stanford y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL) del DOE han cultivado una estructura cristalina multicapa retorcida por primera vez y han medido las propiedades clave de la estructura. La estructura retorcida podría ayudar a los investigadores a desarrollar materiales de próxima generación para células solares, computadoras cuánticas, láseres y otros dispositivos.
«Nunca habíamos visto esta estructura antes; fue una gran sorpresa para mí», dijo Yi Cui, profesor de la Universidad de Stanford y SLAC y coautor del artículo. «En experimentos futuros, una nueva propiedad electrónica cuántica puede surgir dentro de esta estructura retorcida de tres capas».
Agregar capas con un toque especial
Los cristales que diseñó el equipo ampliaron el concepto de epitaxia, un fenómeno que ocurre cuando un tipo de material cristalino crece sobre otro material de manera ordenada, como cultivar un césped bien cuidado en la Tierra, pero a nivel atómico. Comprender el crecimiento epitaxial ha sido crucial para el desarrollo de muchas industrias, en particular la industria de los semiconductores, durante más de 50 años. De hecho, la epitaxia forma parte de muchos dispositivos electrónicos que utilizamos hoy en día, desde teléfonos móviles hasta ordenadores y paneles solares, lo que permite que la electricidad fluya en lugar de fluir a través de ellos.
Hasta la fecha, la investigación sobre epitaxia se ha centrado en hacer crecer una capa de material encima de otra, teniendo los dos materiales la misma orientación cristalina en la interfaz. Este enfoque ha tenido éxito durante décadas en muchas aplicaciones, como transistores, diodos emisores de luz, láseres y dispositivos cuánticos. Sin embargo, para encontrar nuevos materiales que funcionen aún mejor para requisitos más exigentes, como la computación cuántica, los investigadores están buscando otros diseños epitaxiales, que sean potencialmente más complejos pero más potentes, de ahí el concepto de «epitaxia retorcida» demostrado en este estudio.
En su experimento, detallado en Ciencia (“Epitaxia retorcida de nanodiscos de oro cultivados entre capas de sustrato retorcidas de disulfuro de molibdeno”), los investigadores agregaron una capa de oro entre dos capas de un material semiconductor tradicional, el disulfuro de molibdeno (MoS).2). Debido a que las capas superior e inferior estaban orientadas de manera diferente, los átomos de oro no podían alinearse en ambas al mismo tiempo, lo que resultaba en una torsión de la estructura de Au, dijo Yi Cui, estudiante de doctorado del profesor Cui en ciencia e ingeniería de materiales en Stanford y co- autor del artículo.
“Con sólo un MoS más bajo2 “En la capa, al oro le gusta amoldarse a ella para que no se tuerza”, dijo Cui, el estudiante de posgrado. “Pero con dos MoS retorcidos2 Deja que no sea seguro que el oro coincida con la capa superior o inferior. Logramos ayudar al oro a resolver su confusión y descubrimos una conexión entre la orientación del Au y el ángulo de torsión de la bicapa de MoS.2.”
Zapping nanodiscos de oro
Para examinar la capa de oro en detalle, el equipo de investigación del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) y LBNL calentó una muestra de toda la estructura a 500 grados Celsius. Luego enviaron una corriente de electrones a través de la muestra utilizando una técnica llamada microscopía electrónica de transmisión (TEM), que reveló la morfología, orientación y voltaje de los nanodiscos de oro después del recocido a diferentes temperaturas. Medir estas propiedades de los nanodiscos de oro fue un primer paso necesario para comprender cómo podría diseñarse la nueva estructura para futuras aplicaciones en el mundo real.
«Sin este estudio, no sabríamos si es posible torcer una capa de metal epitaxial en un semiconductor», dijo Cui, el estudiante de posgrado. «La medición de toda la estructura de tres capas con microscopía electrónica confirmó que no sólo era posible, sino también que la nueva estructura podía controlarse de maneras interesantes».
A continuación, los investigadores quieren seguir estudiando las propiedades ópticas de los nanodiscos de oro utilizando TEM y descubrir si su diseño altera propiedades físicas como la estructura de bandas de Au. También quieren ampliar este concepto para intentar construir estructuras de tres capas con otros materiales semiconductores y otros metales.
«Estamos empezando a explorar si esto sólo es posible a través de esta combinación de materiales o si esto sucede de manera más general», dijo Bob Sinclair, profesor Charles M. Pigott en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Stanford y coautor del artículo. “Este descubrimiento nos abre un conjunto completamente nuevo de experimentos que podemos probar. Podríamos estar en camino de encontrar propiedades materiales completamente nuevas que podamos explotar”.
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