Японцы автоматизировали сборку гетероструктур из двумерных материалов

Satoru Masubuchi et al. / Nature Communications, 2018

Японские ученые создали аппарат, который может самостоятельно обнаруживать отдельные одноатомные пленки и собирать их в гетероструктуры, удерживаемые силами Ван-дер-Ваальса. С его помощью исследователи смогли собрать гетероструктуру из 29 чередующихся двумерных слоев графена и гексагонального нитрида бора, сообщается в журнале Nature Communications.

Исследователи не только изучают двумерные материалы, имеющие необычные свойства по сравнению с многослойными, но и пытаются создавать на их основе гетероструктуры. Они состоят из чередующихся одноатомных слоев разных материалов и удерживаются вместе за счет сил Ван-дер-Ваальса. Такая комбинация материалов с разными свойствами позволяет управлять свойствами гетероструктур. Один из недавних и перспективных способов создания таких структур основан на эксфолиации (механическом отслаивании) одноатомных пленок от сравнительно больших кристаллов, и последующей укладки таких слоев друг на друга.

Этот метод позволяет создавать довольно сложные гетероструктуры, например, в 2015 году ученым под руководством Константина Новоселова удалось создать таким способом 13-слойную структуру из трех разных материалов. Но процесс создания таких структур требует много времени, зачастую несколько дней ручной работы ученых. Исследователи под руководством Томоки Мачида (Tomoki Machida) из Токийского университета смогли автоматизировать процесс создания гетероструктур из одноатомных слоев разных материалов.

Стоит отметить, что созданная учеными система действует не полностью автономно — перед началом работы все же нужно вручную подготовить материалы. Для этого ученые механически отслоили от кристаллов графита и гексагонального нитрида бора слои, перенеся их на квадратную сантиметровую кремниевую подложку. Таким образом исследователи собрали 36 подложек, на которых содержались тысячи пленок графена и нитрида бора. Но проблема заключается в том, что лишь малая часть из них имеет толщину в один атом и подходит для создания гетероструктур. После создания подложек с материалами они загружаются в камеру с инертной атмосферой, в которой располагается разработанный учеными аппарат.

Для начала он сканирует все подложки и с помощью алгоритма компьютерного зрения распознает пленки и записывает их параметры в базу данных. В результате ученые получают базу двумерных кристаллов с указанием их размеров, формы и других параметров. Исследователи могут выбрать интересующие их кристаллы и создать из них гетероструктуру с нужным им чередованием слоев и кристаллической ориентацией.

После того, как ученый сконструировал нужную ему структуру, данные отправляются на аппарат и он приступает к сборке. Он берет подложку, на котором располагается требуемая пленка и подносит ее к микроскопу. Перед микроскопом располагается предметный столик, на которую аппарат переносит кремниевую подложку и другой столик, на котором закреплена полимерная подложка для создания гетероструктуры. Аппарат с высокой точностью выравнивает положение пленки относительно полимерной подложки и дает проверить результат ученому. Он может принять результат или скорректировать положение. После этого кремниевая подложка перемещается к полимерной и одноатомный кристалл переносится. После этого процесс повторяется для каждого слоя.

Ученые смогли создать таким способов гетероструктуру из 29 чередующихся слоев графена и гексагонального нитрида бора. Общее время работы аппарата составило 32 часа и шесть часов понадобилось на вмешательство ученых. Они считают, что на создание такой структуры вручную у них ушло бы около 120 часов.

Недавно американские и датские ученые описали процесс изменения энергетической электронной структуры в двумерном дисульфиде вольфрама при объединении его в двухслойную гетероструктуру с нитридом бора. По словам авторов работы, полученных данных достаточно для разработки методов управления электронными, экситонными и спинтронными свойств двумерных полупроводниковых материалов.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.