 Природа любит кристаллы. Соль, снежинки и кварц являются примерами кристаллов - материалов, характеризующиеся решеточным расположением своих атомов и молекул. Промышленность тоже любит кристаллы. Электроника основана на специальном семействе кристаллов, известных как полупроводники, наиболее известным из которых является кремний.
Для того, чтобы сделать полупроводники полезным, инженеры должны настроить их кристаллическую решетку тонкими способами, чтобы начать и остановить поток электронов. Инженеры полупроводников должны точно знать, сколько энергии требуется, чтобы двигать электроны в кристаллической решетке. Эта мера энергии известна как запрещенная зона.
Полупроводниковые материалы, такие, как кремний, арсенид галлия и германия, имеют запрещенную зону, уникальную для их кристаллической решетки. Эта мера энергии помогает определить, какой материал лучше всего подходит для той или иной задачи.
Теперь междисциплинарная группа в Стэнфорде сделал полупроводниковый кристалл с переменной шириной запрещенной зоны. Среди других потенциальных применений, этот переменный полупроводник может привести к солнечным батареям, которые поглощают больше энергии от солнца, будучи чувствительными к широкому спектру света.
Сам материал не является новым. Дисульфид молибдена, или MoS2, представляет собой каменистый кристалл, или кварц, то есть усовершенствованный для использования в качестве катализатора и смазки. Но исследователи Стэнфорда доказали, что MoS2 имеет некоторые полезные и уникальные электронные свойства, которые вытекают из того, как этот кристалл формирует решетку.
Дисульфид молибдена является монослоем – атом молибдена связывается с двумя атомами серы в треугольной решетке, которая повторяется в сторону, подобно листу бумаги. Камень, найденный в природе, состоит из множества таких монослоев, сложенных как стопка бумаги. Каждый монослой MoS2 имеет полупроводниковый потенциал.
Посредством растягивания решетки, исследователи смогли сдвинуть атомы в монослое. Эти сдвиги изменили энергию, необходимую для перемещения электронов. Растяжение монослоя превратило MoS2 в нечто новое для науки и потенциально полезное в электронике - искусственный кристалл с переменной шириной запрещенной зоны.
С подобным полупроводниковым материалом исследователи могут получить широкий спектр запрещенной зоны. Они считают, что это будет иметь широкие последствия в зондировании, солнечной энергии и другой электроники.
В 2012 году ученые из Массачусетского технологического института разработали теорию, включающую в себя полупроводниковый потенциал монослоя MoS2.
В любом полупроводнике инженеры должны настроить его решетку в некотором роде, чтобы переключать электронные потоки. В случае кремния это достигается путем введения небольших химических примесей в решетке.
В их моделировании, исследователи настраивают оптимальную конфигурацию MoS2, растягивая его решетку. Используя виртуальные контакты, они тыкали в монослой, создавая наноскопические воронки, растягивая решетку и, теоретически, изменяя ширину запрещенной зоны в MoS2.
Запрещенная зона измеряет количество энергии, требуемой для того, чтобы переместить электрон. Моделирование предполагает, что воронка бы растянул решетку до максимума в точке штифта, создавая множество запрещенных зон от основания до вершины монослоя.
Исследователи Массачусетского технологического института предположили, что воронка будет замечательным большим солнечным коллектором, захватывающим больше солнечного света в широком полосе частот энергии.
Вместо того, чтобы тыкать воображаемыми булавками, команда Стэнфорда растянула решетку MoS2, толкая ее снизу. Они сделали это (по-настоящему, а не в моделировании) путем создания искусственных холмов и долин на нижней стороне монослоя.
Они создали этот искусственный ландшафт на кремниевом чипе – материале, который они выбрали не за его электронные свойства, а потому, что инженеры знают, как лепить его в мельчайших деталях. Они выгравировали холмы и долины на кремнии. Затем они покрыли наноландшафт промышленной жидкостью и положили поверх монослой MoS2. Испарение сделало все остальное, потянув вниз полупроводниковую решетку в долинах и растягивая ее по холмам.
Исследователи использовали сканирующую туннельную микроскопию для определения положения атомов в этом искусственном кристалле. Они также измерили переменную ширины запрещенной зоны, которое возникло от растягивания решетки подобным образом. Члены команды считают, что это эксперимент готовит почву для дальнейших инноваций в искусственных кристаллах. Одна из самых интересных вещей в их процессе заключается в том, что он является масштабируемым, так как дисульфид молибдена является дешевым в изготовлении.
|
