Команда сначала исследовала рост плоских кристаллов на подложках с острыми ступенями и канавками. Удивительно, но кристаллы конформно росли вверх и вниз по этим плоским препятствиям, не меняя своих свойств или скорости роста. Однако изогнутые поверхности требовали, чтобы кристаллы растягивались по мере роста, чтобы сохранить свою кристаллическую структуру.
Этот рост 2D-кристаллов в третьем измерении предоставил захватывающую возможность.
«Вы можете спроектировать, какое напряжение вы передаете кристаллу, создавая объекты, чтобы они росли», – сказал Кай Сяо, который вместе с коллегами из ORNL Дэвидом Геохеганом и докторантом Каем Ван (сейчас в Intel) задумал исследование. "Деформация – это один из способов создания" горячих точек "для излучателей одиночных фотонов."
Конформный рост идеальных 2D-кристаллов над 3D-объектами обещает локализовать деформацию для создания массивов однофотонных излучателей с высокой точностью воспроизведения. Растяжение или сжатие кристаллической решетки изменяет ширину запрещенной зоны материала, энергетическую щель между валентной зоной и зоной проводимости электронов, что в значительной степени определяет оптоэлектронные свойства материала. Используя инженерию деформаций, исследователи могут направлять носители заряда для рекомбинации именно там, где это необходимо в кристалле, а не в случайных местах дефектов. Подгоняя изогнутые объекты для локализации деформации в кристалле, а затем измеряя результирующие сдвиги оптических свойств, экспериментаторы вынудили соавторов из Университета Райса – теоретиков Генри Ю, Нитанта Гупта и Бориса Якобсона – смоделировать и отобразить, как кривизна вызывает деформацию. во время роста кристаллов.
В ORNL Ван и Сяо разработали эксперименты с Бернадетой Сриджанто, чтобы исследовать рост 2D-кристаллов на массивах наноразмерных форм с литографическим узором. Сначала Сриджанто использовал маски для фотолитографии для защиты определенных участков поверхности оксида кремния во время воздействия света, а затем протравил открытые поверхности, чтобы оставить вертикально стоящие формы, включая пончики, конусы и ступеньки.
Ван и другой исследователь, получивший докторскую степень, Сюфан Ли (сейчас работает в исследовательском институте Honda), затем вставили подложки в печь, где испаренный оксид вольфрама и сера реагировали с осаждением дисульфида вольфрама на подложках в виде монослойных кристаллов. Кристаллы росли как упорядоченная решетка атомов в идеальных треугольных плитках, которые со временем становились больше, добавляя ряд за рядом атомов к их внешним краям. В то время как 2D-кристаллы, казалось, легко складывались, как бумага, по высоким ступенькам и острым канавам, рост на изогнутых объектах заставлял кристаллы растягиваться, чтобы сохранить свою треугольную форму.
Ученые обнаружили, что «пончики» высотой 40 нанометров были отличными кандидатами в качестве излучателей одиночных фотонов, потому что кристаллы могли надежно выдерживать вызванную ими деформацию, а максимальная деформация приходилась именно на «отверстие» пончика, что измерялось по сдвигам фотолюминесценции. и комбинационное рассеяние.
В будущем массивы пончиков или других структур можно будет создавать в любом месте, где требуются квантовые излучатели, до того, как кристаллы будут выращены.
Ван и соавтор ORNL Алекс Пурецки использовали картирование фотолюминесценции, чтобы выявить, где зародились кристаллы и насколько быстро прогрессировал каждый край треугольного кристалла по мере его роста над пончиками. После тщательного анализа изображений они были удивлены, обнаружив, что, хотя кристаллы сохранили свою идеальную форму, края кристаллов, которые были натянуты пончиками, росли быстрее.
Чтобы объяснить это ускорение, Пурецки разработал модель роста кристаллов, а коллега Мина Юн провела расчеты из первых принципов.
Их работа показала, что деформация с большей вероятностью вызывает дефекты на растущей кромке кристалла. Эти дефекты могут увеличить количество центров зародышеобразования, в которых зародыш кристалла растет вдоль края, что позволяет ему расти быстрее, чем раньше.
Причина, по которой кристаллы могут легко расти вверх и вниз по глубоким канавам, но растягиваться из-за неглубоких пончиков, связана с конформностью и кривизной. Представьте себе упаковку подарков.
Коробки легко заворачивать, потому что бумага может складываться, чтобы соответствовать форме. Но объект неправильной формы с изгибами, такой как кружка без упаковки, невозможно обернуть конформно (чтобы не порвать бумагу, вам придется растягивать ее, как полиэтиленовую пленку.)
2D-кристаллы также растягиваются, чтобы соответствовать кривым подложки. В конце концов, однако, напряжение становится слишком большим, и кристаллы раскалываются, чтобы снять напряжение, показали атомно-силовую микроскопию и другие методы.
После появления трещин в кристалле рост еще деформированного материала происходит в разных направлениях для каждого нового плеча. В Нанкинском университете аэронавтики и астронавтики Чжили Ху выполнил моделирование фазового поля разветвления кристаллов. Сян Гао из ORNL и Мэнкун Тянь (ранее из Университета Теннесси) проанализировали атомную структуру кристаллов с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии.
«Результаты представляют захватывающие возможности для использования двухмерных материалов и вертикальной интеграции их в третье измерение для электроники следующего поколения», – сказал Сяо.
Затем исследователи изучат, может ли деформация улучшить характеристики специально подобранных материалов. «Мы изучаем, как деформация кристалла может облегчить фазовый переход, чтобы кристалл мог приобретать совершенно новые свойства», – сказал Сяо. «В Центре науки о нанофазных материалах мы разрабатываем инструменты, которые позволят нам исследовать эти структуры и их квантово-информационные аспекты."