Треугольные двумерные кристаллы превратили в бездефектные сверхрешетки

Американские химики синтезировали бездефектные двумерные сверхрешетки размером в несколько микрометров из сульфида и селенида вольфрама. В полученных полупроводниковых кристаллах с треугольной симметрией полосы разного состава периодически сменяют друг друга, что позволяет контролировать внутреннее напряжение в кристалле и менять таким образом его оптические свойства, пишут ученые в статье в Science.

Гетероструктуры на основе полупроводниковых двумерных кристаллов толщиной в один или несколько атомов считаются одними из перспективных типов материалов для созданий нанотранзисторов, сенсоров или нанодиодов, которые могут стать основой телекоммуникационных систем следующего поколения. Как правило, такие материалы предлагают получать, объединяя в многослойные структуры несколько двумерных кристаллов различного состава. Электронные свойства разных слоев тоже довольно сильно различаются, что позволяет собирать из них нужные устройства, комбинируя их в правильном порядке.

Другой способ объединять друг с другом несколько двумерных кристаллов различного состава — делать из них латеральные гетероструктуры, скрепленные друг с другом не по вертикали, а по бокам. Сделать это, как правило, сложнее, чем собрать многослойную систему: даже небольшое отличие в параметрах решетки двух кристаллов препятствует соединению, поэтому получать удается лишь определенные конфигурации структур с небольшим количеством стыков. Совсем недавно группа американских химиков предложила способ получения латеральных гетероструктур из дихалькогенидов переходных металлов с использованием осаждения из газовой фазы с переключаемым составом газа-носителя. Таким методом ученые синтезировали двумерные гетероструктуры треугольной формы, включающие в свой состав полосы различного химического состава.

Другая группа американских химиков под руководством Пака Чи-Уна (Jiwoong Park) из Чикагского университета усовершенствовала этот метод, в результате чего им удалось получить не просто упорядоченные гетероструктуры с заданным расположением областей разного состава, а сверхрешетки, в которых полосы двух двумерных полупроводников формируют упорядоченную треугольную систему, периодически сменяя друг друга. В качестве двумерных полупроводников, из которых была получена упорядоченная латеральная гетероструктура, ученые взяли сульфид и селенид вольфрама (WS₂/WSe₂).

Для роста двумерного кристалла на кварцевой подложке химики использовали методику осаждения из газовой фазы. Но, в отличие от предыдущей работы, для чередования состава кристаллизующегося вещества использовалась не смена газа-носителя, а смена состава газа-прекурсора, который служил источником серы или селена в кристалле. Если поддерживать все условия (температуру, давление и скорость потока газа) на постоянном уровне и в нужное время переключать состав прекурсора, то при достаточно медленной скорости кристаллизации (от 20 до 60 нанометров в минуту) можно добиться образования упорядоченных треугольных кристаллов, в которых полосы разного состава периодически сменяют друг друга.

Таким образом химики получили монокристаллические бездефектные структуры с выраженной треугольной симметрией. При этом ученые отмечают, что разница в периоде кристаллической решетки для двух кристаллов составляет 4 процента. Такое несоответствие становится причиной возникновения в кристалле внутренних напряжений, которые в некоторых случаях приводят к небольшому искривлению структуры. Эти искривления, однако, тоже носят упорядоченный характер и формируют из полос селенида вольфрама «рифленую» структуру с зигзагообразным сечением. При этом геометрию этих сложенных гармошкой участков тоже можно менять, варьируя высоту и период искривлений, что в свою очередь позволяет контролировать оптические свойства всей гетероструктуры.

Авторы работы утверждают, что с использованием предложенного метода можно получать периодические сверхрешетки, в которых ширину одной полосы можно контролировать с атомным разрешением и уменьшать ее вплоть до одного атома. По словам химиков, полученные ими гетероструктуры не только сами по себе могут быть в будущем использованы в различных приложениях, но и дают большое количество важной информации и процессах формирования бездефектных двумерных кристаллов с гетерогенной упорядоченной структурой, которые при этом могут довольно легко деформироваться.

Применение находят не только гетероструктуры из двумерных полупроводниковых кристаллов, но и сами халькогениды переходных металлов в чистом виде. Например, на основе двумерного дисульфида молибдена можно сделать элемент нанотранзистора или, например, мембрану для фильтрования воды.

Александр Дубов