"Дативная эпитаксия" как новый способ укладки хрустальных пленок
Ученые вырастили тонкие пленки из двух разных кристаллических материалов друг на друге, используя инновационную технику, называемую «дативной эпитаксией». Исследователи обнаружили этот метод неожиданно.
На изображении, полученном с помощью сканирующего просвечивающего электронного микроскопа, виден красивый периодический узор (называемый «муаровым узором»), возникающий в результате эпитаксиальной сверхрешетки теллурида хрома/диселенида вольфрама; наложенная атомная модель сверхрешетки. Предоставлено: Mengying Bian и Liang Zhu.
Как объясняет физик из Университета Буффало Хао Цзэн, дативная эпитаксия скрепляет слои различных материалов за счет слабой силы притяжения между материалами в сочетании с случайными химическими связями, называемыми «дативными 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».
По словам Цзэна, это интересное исследование, потому что новые способы наслаивания пленок «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 .
«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 материала Ван-дер-Ваальса, который действует как шаблон для продвижения двумерного роста».
В рамках этого процесса изготовления магнитов Биан, постдокторант по физике Университета Нью-Йорка, вырастил сверхтонкий слой теллурида хрома поверх сверхтонкого «монослоя» диселенида вольфрама.
Изображение под микроскопом показывает многочисленные сверхтонкие кристаллы теллурида хрома, выращенные на диселениде вольфрама. Аккуратное выравнивание кристаллов друг с другом свидетельствует о дативной эпитаксии, методе, с помощью которого были выращены кристаллы.
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 Менгинг 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 ориентацию слоев нельзя контролировать 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 две пленки 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. Исследование возглавил — опять же по счастливой случайности — его давний сотрудник в Политехническом институте Ренсселера Шэнбай Чжан, доктор философии. Чжан «был очень рад услышать, что наше экспериментальное открытие подтвердило его гипотезу», — говорит Цзэн.
«Принцип Златовласки» эпитаксии
UB подал предварительную заявку на патент на методы дативной эпитаксии 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 решеток в обычной эпитаксии, а также использует преимущества образования специальных химических связей для фиксации ориентации кристаллов», — говорит Биан.
«Дативная эпитаксия может позволить выращивать более широкий спектр материалов. Она действительно дает людям большую гибкость и выбор», — говорит Цзэн. «Это принцип Златовласки в эпитаксии: он сочетает в себе преимущества традиционных методов эпитаксии и эпитаксии Ван-дер-Ваальса, но устраняет недостатки обоих».
Учитывая эти преимущества, говорит Цзэн, их «метод может открыть двери для высококачественного эпитаксиального роста различных тонких пленок составных полупроводников, таких как потенциально арсенид галлия или нитрид галлия на кремниевых пластинах. Интеграция этих материалов очень важна для полупроводниковой промышленности, что было давней проблемой из-за ограничений других форм эпитаксии».
