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这种简单方法,能让复杂半导体自行组装

两种二维材料――钙钛矿(蓝色)和金属卤化物(黄色)的自组装行为。

将超薄薄膜材料相互叠加,可以制造出奇特的新材料。然而,堆叠材料的过程并不适合大规模生产。当地时间9月16日,美国斯坦福大学教授Hemamala Karunadasa领导的团队在《科学》杂志中报告了一种更简单、快捷的复杂材料自动组装方法。他们用钙钛矿培育了二维层,并在大晶体中与其他薄层材料交叉和自组装。

自组装过程在反应瓶中进行,各薄层的化学成分在水中翻滚,杠铃状的分子引导着动向。杠铃分子的每一端都连接有一种可成长为薄层的模板。当薄层结晶时,杠铃分子会自动将它们按适当的顺序连接在一起。时任Karunadasa实验室博士后研究员的Michael Aubrey说:“最酷的事实是,这些复杂的层状材料会自发结晶。这种新方法的通用性让我们感到非常振奋。我们不是一次操纵一层材料,而是将化学原料一次性倒入反应器内,让它们按照自己的想法组装。”

Aubrey指出,卤化物钙钛矿具有与天然钙钛矿相似的八面体结构,其组装过程通常是在水中进行的。这类材料在太阳能电池领域有很大的应用潜力,然而,它们的稳定性比较差。让钙钛矿和其他材料组合成层状材料,不仅有望结合两者的优点,还可能获得意想不到的界面特性――比如,科学家们曾证实,将两种不同类型的绝缘薄膜堆叠可以制成导体。可惜的是,层状材料堆叠组合后的性能很难预测,制造条件也十分苛刻。Karunadasa说:“这类型的生产工艺不具有可扩展性。有时,你甚至无法用同一种方法制造出两批次相同的产品。剥离出的原子层是相当脆弱的,你很难确定堆砌出的最终结构。”

Karunadasa团队研究生Abraham Saldivar Valdes开发了一种新的分层结构自组装方法,另一名研究生Bridget Connor对该方法进行了扩展。他们最终制作了六种自组装材料,并用X-射线检视了它们的结构。结果显示,在大多数结构中,杠铃分子将层间稍微分离。而在其中一种结构中,杠铃分子使各层直接接触,进而形成了化学键。Karunadasa说:“这种层间连接结构非常关键,因为它可能导致突变性质,例如分布在两层的电子激发。在这种特例中,当应用光轰击材料以释放电子,并产生带正电的空穴时,我们发现电子和空穴分别出现在不同的层中。这对我们的研究非常重要,因为它意味着研究人员能够通过调整层环境来定制电子行为。”

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编译:德克斯特 审稿:西莫 责编:陈之涵

期刊来源:《科学》

期刊编号:0036-8075

原文链接:https://phys.org/news/2021-09-simple-complex-semiconductors.html

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