Un equipo dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía exploró cómo los cristales bidimensionales 2D atómicamente delgados pueden crecer sobre objetos 3D y cómo la curvatura de esos objetos puede estirar y tensar los cristales. Los hallazgos, publicadosen avances científicos , señale una estrategia para diseñar la tensión directamente durante el crecimiento de cristales atómicamente delgados para fabricar emisores de fotones únicos para el procesamiento de información cuántica.
El equipo exploró primero el crecimiento de los cristales planos en sustratos con dibujos de escalones afilados y zanjas. Sorprendentemente, los cristales crecieron de manera conforme hacia arriba y hacia abajo de estos obstáculos planos sin cambiar sus propiedades o tasas de crecimiento. Sin embargo, las superficies curvas requerían que los cristales se estiraran comocrecieron para mantener su estructura cristalina. Este crecimiento de cristales 2D en la tercera dimensión presentó una oportunidad fascinante.
"Puede diseñar cuánta tensión imparte a un cristal diseñando objetos para que crezcan", dijo Kai Xiao, quien con los colegas de ORNL David Geohegan y el investigador postdoctoral Kai Wang ahora en Intel concibieron el estudio. "Straines una forma de crear 'puntos calientes' para emisores de fotones únicos ".
El crecimiento conforme de cristales 2D perfectos sobre objetos 3D promete localizar la tensión para crear matrices de alta fidelidad de emisores de fotones individuales. Estirar o comprimir la red cristalina cambia la banda prohibida del material, la brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción deelectrones, que determina en gran medida las propiedades optoelectrónicas de un material. Mediante la ingeniería de deformación, los investigadores pueden canalizar los portadores de carga para que se recombinen con precisión donde se desee en el cristal en lugar de en ubicaciones de defectos aleatorios. Adaptando objetos curvos para localizar la deformación en el cristal y luego midiendo los cambios resultantesen propiedades ópticas, los experimentadores obligaron a los coautores de la Universidad de Rice, los teóricos Henry Yu, Nitant Gupta y Boris Yakobson, a simular y mapear cómo la curvatura induce tensión durante el crecimiento de los cristales.
En ORNL, Wang y Xiao diseñaron experimentos con Bernadeta Srijanto para explorar el crecimiento de cristales 2D sobre matrices de formas a nanoescala con patrones litográficos. Srijanto utilizó por primera vez máscaras de fotolitografía para proteger ciertas áreas de una superficie de óxido de silicio durante la exposición a la luz, y luego grabóAlejar las superficies expuestas para dejar formas verticales, como rosquillas, conos y escalones. Wang y otro investigador postdoctoral, Xufan Li ahora en el Instituto de Investigación Honda, luego insertaron los sustratos en un horno donde el óxido de tungsteno vaporizado y el azufre reaccionaron para depositar el tungstenodisulfuro en los sustratos como cristales monocapa. Los cristales crecieron como una red ordenada de átomos en mosaicos triangulares perfectos que se hicieron más grandes con el tiempo al agregar fila tras fila de átomos a sus bordes exteriores. Mientras que los cristales 2D parecían doblarse sin esfuerzo como papel sobre altosescalones y trincheras afiladas, el crecimiento sobre objetos curvos obligó a los cristales a estirarse para mantener su forma triangularmi.
Los científicos descubrieron que las "rosquillas" de 40 nanómetros de altura eran excelentes candidatas para emisores de fotones individuales porque los cristales podían tolerar de manera confiable la tensión que inducían, y la tensión máxima estaba precisamente en el "agujero" de la rosquilla, medida por cambios enla fotoluminiscencia y la dispersión Raman. En el futuro, las matrices de donas u otras estructuras podrían modelarse en cualquier lugar donde se deseen emisores cuánticos antes de que crezcan los cristales.
Wang y el coautor de ORNL, Alex Puretzky, utilizaron el mapeo de fotoluminiscencia para revelar dónde se nucleaban los cristales y qué tan rápido progresaba cada borde del cristal triangular a medida que crecía sobre las rosquillas. Después de un análisis cuidadoso de las imágenes, se sorprendieron al descubrir que, aunquelos cristales mantuvieron sus formas perfectas, los bordes de los cristales que habían sido tensados por donas crecieron más rápido.
Para explicar esta aceleración, Puretzky desarrolló un modelo de crecimiento de cristales, y su colega Mina Yoon realizó cálculos de primeros principios. Su trabajo mostró que la deformación es más probable que induzca defectos en el borde de crecimiento de un cristal. Estos defectos pueden multiplicar el número desitios de nucleación que siembran el crecimiento de cristales a lo largo de un borde, lo que le permite crecer más rápido que antes.
La razón por la que los cristales pueden crecer fácilmente hacia arriba y hacia abajo en zanjas profundas, pero se tensan por las rosquillas poco profundas, tiene que ver con la conformidad y la curvatura. Imagínese envolver regalos. Las cajas son fáciles de envolver porque el papel se puede doblar para adaptarse a la forma. Peroun objeto de forma irregular con curvas, como una taza sin caja, es imposible de envolver de manera adecuada para evitar rasgar el papel, tendría que poder estirarlo como una envoltura de plástico.
Los cristales 2D también se estiran para ajustarse a las curvas del sustrato. Sin embargo, con el tiempo, la deformación se vuelve demasiado grande y los cristales se parten para liberar la deformación, se revela la microscopía de fuerza atómica y otras técnicas.El material tensado avanza en diferentes direcciones para cada nuevo brazo. En la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing, Zhili Hu realizó simulaciones de campo de fase de la ramificación del cristal. Xiang Gao de ORNL y Mengkun Tian antes de la Universidad de Tennessee analizaron la estructura atómica delos cristales mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido.
"Los resultados presentan oportunidades interesantes para tomar materiales bidimensionales e integrarlos verticalmente en la tercera dimensión para la electrónica de próxima generación", dijo Xiao.
A continuación, los investigadores explorarán si la deformación puede mejorar el rendimiento de materiales personalizados. "Estamos explorando cómo la deformación del cristal puede facilitar la inducción de un cambio de fase para que el cristal pueda adquirir propiedades completamente nuevas", dijo Xiao.. "En el Center for Nanophase Materials Sciences, estamos desarrollando herramientas que nos permitirán sondear estas estructuras y sus aspectos de información cuántica".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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