Исследователи растягивают тонкий кристалл, чтобы получить более качественные солнечные элементы: кристаллические полупроводники, такие как кремний, могут улавливать фотоны и преобразовывать их энергию в потоки электронов.

Промышленность тоже любит кристаллы. Электроника основана на особом семействе кристаллов, известном как полупроводники, наиболее известным из которых является кремний.Чтобы сделать полупроводники полезными, инженеры должны тонко настроить их кристаллическую решетку, чтобы запускать и останавливать поток электронов.Инженеры-полупроводники должны точно знать, сколько энергии требуется для перемещения электронов в кристаллической решетке.

Эта мера энергии и есть ширина запрещенной зоны.Полупроводниковые материалы, такие как кремний, арсенид галлия и германий, имеют ширину запрещенной зоны, уникальную для их кристаллической решетки. Этот показатель энергии помогает определить, какой материал лучше всего подходит для какой электронной задачи.

Теперь междисциплинарная команда в Стэнфорде создала кристалл полупроводника с переменной запрещенной зоной. Среди других потенциальных применений этот переменный полупроводник может привести к солнечным элементам, которые поглощают больше энергии солнца, будучи чувствительными к более широкому спектру света.

Сам материал не новый. Дисульфид молибдена, или MoS2, представляет собой горный кристалл, подобный кварцу, который очищается для использования в качестве катализатора и смазки.Но в Nature Communications инженер-механик из Стэнфорда Сяолинь Чжэн и физик Хари Манохаран доказали, что MoS2 обладает некоторыми полезными и уникальными электронными свойствами, которые вытекают из того, как этот кристалл образует свою решетку.Дисульфид молибдена — это то, что ученые называют монослоем: атом молибдена соединяется с двумя серами в треугольной решетке, которая повторяется сбоку, как лист бумаги.

Камень, встречающийся в природе, состоит из множества таких монослоев, сложенных стопкой бумаги. Каждый монослой MoS2 обладает полупроводниковым потенциалом.

«С точки зрения машиностроения однослойный MoS2 интересен тем, что его решетку можно сильно растянуть без разрушения», — сказал Чжэн.Растягивая решетку, исследователи из Стэнфорда смогли сдвинуть атомы в монослое. Эти сдвиги изменили энергию, необходимую для перемещения электронов. Растяжение монослоя сделало MoS2 чем-то новым для науки и потенциально полезным в электронике: искусственным кристаллом с переменной запрещенной зоной.

«С помощью одного атомно тонкого полупроводникового материала мы можем получить широкий диапазон запрещенной зоны», — сказал Манохаран. «Мы думаем, что это будет иметь широкие разветвления в зондировании, солнечной энергии и другой электронике».Ученые были очарованы монослоями с момента открытия графена, получившего Нобелевскую премию, — решетки, состоящей из одного слоя атомов углерода, уложенных плоско, как лист бумаги.В 2012 году ученые-ядерщики и материаловеды Массачусетского технологического института разработали теорию, в которой использовался полупроводниковый потенциал монослоя MoS2.

В случае любого полупроводника инженеры должны каким-то образом настроить его решетку, чтобы включать и выключать потоки электронов. В случае кремния настройка включает внесение в решетку небольших химических примесей.В своем моделировании исследователи из Массачусетского технологического института изменили MoS2, растянув его решетку.

Используя виртуальные булавки, они протыкали монослой для создания наноскопических воронок, растягивая решетку и теоретически изменяя запрещенную зону MoS2.Ширина запрещенной зоны измеряет, сколько энергии требуется для перемещения электрона. Моделирование показало, что воронка будет сильнее всего напрягать решетку в острие штифта, создавая различные запрещенные зоны снизу вверх монослоя.Исследователи из Массачусетского технологического института предположили, что воронка будет отличным коллектором солнечной энергии, улавливая больше солнечного света в широком диапазоне энергетических частот.

Когда стэнфордский научный сотрудник Хун Ли присоединился к отделению машиностроения в 2013 году, он поделился этой идеей с Чжэном. Она возглавила команду Стэнфордского университета, которая в итоге доказала все это, буквально поставив теорию Массачусетского технологического института с ног на голову.Вместо того, чтобы тыкать воображаемыми булавками, команда Стэнфорда растянула решетку MoS2, толкая ее снизу.

Они сделали это — скорее в реальном, чем в моделировании — создав искусственный ландшафт холмов и долин под монослоем.Они создали этот искусственный ландшафт на кремниевом чипе, материале, который они выбрали не из-за его электронных свойств, а потому, что инженеры знают, как лепить его с мельчайшими деталями. Они выгравировали на кремнии холмы и долины. Затем они омыли свой нанокейп индустриальной жидкостью и положили сверху монослой MoS2.

Остальное сделало испарение, потянув полупроводниковую решетку в долины и растянув ее по холмам.Алекс Контриман, аспирант прикладной физики в лаборатории Манохарана, использовал сканирующую туннельную микроскопию для определения положения атомов в этом искусственном кристалле.

Он также измерил переменную ширину запрещенной зоны, возникающую в результате такого деформирования решетки.Теоретики Массачусетского технологического института и специалисты из Университета Райса и Техасского университета АМ внесли свой вклад в работу над докладом Nature Communications.

Члены команды считают, что этот эксперимент закладывает основу для дальнейших инноваций в области искусственных кристаллов.«Одна из самых захватывающих вещей в нашем процессе — это масштабируемость», — сказал Чжэн. «С промышленной точки зрения производство MoS2 дешево».

Манохаран добавил: «Будет интересно посмотреть, как это воспользуется сообществом».


Новости со всего мира