Poput kristalizacije lizalica: jednostavan način slaganja složenih poluvodiča

Nova metoda slaže slojeve perovskita s drugim 2D materijalima i od njih stvara kristale sa širokim rasponom elektroničkih svojstava

Mladen Smrekar ponedjeljak, 20. rujna 2021. u 15:49

Slaganje izuzetno tankih slojeva materijala jedan na drugi može stvoriti nove materijale s uzbudljivim novim svojstvima. No i najuspješniji procesi izgradnje zamorni su, nesavršeni i nisu prilagođeni za veliku proizvodnju. Sada su istraživači sa Sveučilišta Stanford osmislili puno brži i jednostavniji način: 2D slojeve perovskita isprepleli su tankim slojevima drugih materijala u velikim kristalima koji se sami sastavljaju. 

Kombiniranje materijala

Spajanje se odvija u bočicama gdje se kemijski sastojci miješaju u vodi. U postupku koji podsjeća na izradu lizalica od kristala šećera, slojevi se kristaliziraju i automatski povezuju pravilnim redoslijedom.

Dijagram prikazuje kako se slojevi dva 2D materijala, perovskita (plavi) i metalnog halogenida (žuti), sastavljaju od kemikalija koje se vrte u vodi (lijevo) (Jiayi Li/Sveučilište Stanford)
Dijagram prikazuje kako se slojevi dva 2D materijala, perovskita (plavi) i metalnog halogenida (žuti), sastavljaju od kemikalija koje se vrte u vodi (lijevo) (Jiayi Li/Sveučilište Stanford)

Istraživači kažu da njihova metoda postavlja temelj za izradu širokog spektra složenih poluvodiča, uključujući kombinacije materijala za koje dosad nije bilo poznato da se mogu upariti u kristalima. Svoja zapažanja objavili su u časopisu Nature.


"Umjesto da manipuliramo materijalima sloj po sloj, bacamo ione u lonac s vodom i puštamo ih da se sami sastave", kaže Hemamala Karunadasa, profesorica sa Stanfordskog instituta za materijale i energetske znanosti (SIMES). "Važno je da mi znamo kako se ponašaju elektroni, što je ključno za određivanje elektroničke strukture materijala."


Veliki potencijal

Halidni perovskit, materijal iste oktaedralne strukture kao mineral perovskita u prirodi, ima veliki potencijal za učinkovito upijanje sunčeve svjetlosti u solarnim ćelijama i pretvaranje u električnu energiju. Istovremeno, on je nestabilan, osobito u vrućim, osvijetljenim okruženjima u kojima rade fotonaponski sustavi.

Sloj materijala isprepleten s 2D perovskitom mora se blago iskriviti kako bi formirao čvrsto sučelje s atomskom rešetkom perovskita (Michael Aubrey/Sveučilište Stanford)
Sloj materijala isprepleten s 2D perovskitom mora se blago iskriviti kako bi formirao čvrsto sučelje s atomskom rešetkom perovskita (Michael Aubrey/Sveučilište Stanford)

Slaganje perovskita u slojevima s drugim materijalima moglo bi kombinirati svojstva i tako poboljšati njegove performanse u specifičnim primjenama. No još je važnije to što se na mjestima na kojima se susreću slojevi javljaju potpuno nova i neočekivana svojstva. Na primjer, slaganjem tankih slojeva dviju različitih vrsta izolatora može se stvoriti električni vodič.

Izrada tankoslojnih materijala spor je i mukotrpan proces koji uključuje ljuštenje atomski tankih slojeva, jedan po jedan, od većeg komada materijala. Tako je grafen napravljen od grafita, čistog oblika ugljika koji se koristi u olovkama. U drugim slučajevima, ti tankoslojni materijali izrađeni su u malim serijama na vrlo visokim temperaturama.

Povezani slojevi

Na Stanfordu su s vremenom razvili novu metodu za sastavljanje slojevitih struktura. Izradili su šest materijala koji su se sami sastavili, ispreplićući perovskite s metalnim halidima ili metalnim sulfidima. 

Način na koji su 2D slojevi povezani u kristalima može imati veliki utjecaj na njihovu elektroničku strukturu, što određuje njihova svojstva (Michael Aubrey/Stanford University)
Način na koji su 2D slojevi povezani u kristalima može imati veliki utjecaj na njihovu elektroničku strukturu, što određuje njihova svojstva (Michael Aubrey/Stanford University)

"Posebno smo uzbuđeni zbog ove vrste strukture gdje su slojevi povezani jer bi to moglo dovesti do elektroničkih uzbuda raspoređenih u oba sloja", kaže Karunadasa. "Pronašli smo elektrone uglavnom u jednoj vrsti sloja, a rupe uglavnom u drugoj. To je važno jer nam omogućuje da podesimo ta dva okruženja kako bismo postigli željeno elektroničko ponašanje."

 

 



Multiroom Hi-Res WiFI zvučnik

DENON Home 250

Internet radio, Heos, Alexa, Airplay 2, Bluetooth

3379 kn Kupi

Gramofon sa predpojačalom

DENON DP-300F black

Masivna baza za smanjenje vibracije, aluminijska izrada, MM zvučnica

2199 kn 2990 kn Kupi