복잡한 반도체를 조립하는 간단한 방법

극도로 얇은 재료 필름을 서로 겹쳐 쌓으면 흥미롭고 새로운 특성을 가진 새로운 재료를 만들 수 있습니다. 그러나 이러한 스택을 구축하는 가장 성공적인 프로세스는 지루하고 불완전할 수 있으며 대규모 생산에는 적합하지 않을 수 있습니다.

이제 Stanford 교수 Hemamala Karunadasa가 이끄는 팀이 훨씬 간단하고 빠른 방법을 만들었습니다. 그들은 페로브스카이트(perovskite)로 알려진 가장 인기 있는 재료 중 하나의 2D 층을 성장시켰고, 스스로 조립되는 큰 결정에 다른 재료의 얇은 층을 끼워 넣었습니다.

조립은 작용을 지시하는 바벨 모양의 분자와 함께 층의 화학 성분이 물 속에서 굴러다니는 바이알에서 이루어집니다. 바벨의 각 끝에는 한 가지 유형의 레이어를 성장시키기 위한 템플릿이 있습니다. 층이 결정화되면(록 캔디를 만드는 것과 유사한 과정) 바벨이 자동으로 적절한 순서로 레이어를 연결합니다.

연구원들은 그들의 방법이 이전에 결정에서 쌍을 이루는 것으로 알려지지 않은 재료의 조합을 포함하여 훨씬 더 신중한 방식으로 복잡한 반도체의 광범위한 배열을 만드는 토대를 마련했다고 말합니다.

Karunadasa는 "재료를 한 번에 한 층씩 조작하는 대신 물이 담긴 냄비에 이온을 던지고 이온이 원하는 방식으로 조립되도록 하는 것입니다. 우리는 이 물질의 그램을 만들 수 있으며 결정에서 원자가 어디에 있는지 압니다. 이러한 수준의 정밀도를 통해 레이어 간의 인터페이스가 실제로 어떻게 생겼는지 알 수 있습니다. 이는 전자가 어떻게 행동하는지 물질의 전자 구조를 결정하는 데 중요합니다."

할로겐화 페로브스카이트(천연 페로브스카이트 광물과 동일한 팔면체 구조를 갖는 물질)는 1900년대부터 물에서 조립되었습니다. 그들은 태양 전지에서 햇빛을 효율적으로 흡수하고 전기로 변환할 수 있는 많은 잠재력을 가지고 있지만, 특히 태양광 발전이 작동하는 뜨겁고 밝게 빛나는 환경에서는 불안정하기로 악명이 높습니다.

페로브스카이트를 다른 재료와 레이어링하면 특정 응용 분야에서 성능을 향상시키는 방식으로 특성을 결합할 수 있습니다. 그러나 훨씬 더 흥미로운 전망은 레이어가 만나는 인터페이스에서 완전히 새롭고 예상치 못한 속성이 나타날 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 과학자들은 이전에 두 가지 다른 유형의 절연체로 된 박막을 적층하면 전기 전도체를 생성할 수 있다는 것을 발견했습니다.

어떤 재료 조합이 흥미롭고 유용할지 예측하기 어렵습니다. 게다가 얇은 층으로 된 재료를 만드는 것은 느리고 힘든 과정이었습니다. 층은 일반적으로 더 큰 재료 덩어리에서 한 번에 하나씩 두께의 원자 한두 개만 필름을 벗겨서 만듭니다. 이것이 그래핀이 연필심에 사용되는 순수한 탄소 형태인 흑연으로 만들어지는 방식입니다. 다른 경우에는 이러한 얇은 층의 재료가 매우 높은 온도에서 작은 배치로 만들어집니다.

Karunadasa는 "제조 방법은 확장 가능하지 않았고 때로는 한 배치에서 다른 배치로 재현하기조차 어려웠습니다."라고 말했습니다. “원자 한 두 개 두께의 층을 벗겨내는 것은 전문적인 작업입니다. 당신과 내가 실험실에 가서 할 수 있는 일이 아닙니다. 이 시트는 매우 유연한 카드 덱과 같습니다. 하나를 꺼낼 때 구겨지거나 구부러질 수 있습니다. 그래서 최종 스택의 정확한 구조를 알기 어렵다. 우리가 이 연구에서 만든 것과 유사한 재료에 대한 전례는 거의 없습니다.”

이러한 원자적으로 얇은 층은 특성이 이미 알려진 유사한 재료의 3D 블록과 동일한 구조를 가지고 있으며 두 개의 다른 층이 계면을 공유하기 위해 약간 왜곡되어야 한다는 것이 발견되었습니다.

층 구조를 만드는 것은 암석 캔디를 만드는 것과 똑같은 과정입니다. 나무 은못을 포화 설탕 용액에 떨어뜨리고 캔디 결정이 은못에 씨를 뿌리는 것입니다.”라고 연구원인 Michael Aubrey가 말했습니다. "그러나 이 경우에는 출발 물질이 다르므로 다웰이 필요하지 않습니다. 결정이 물 속에서 또는 유리병 표면에 형성되기 시작합니다."

연구팀은 페로브스카이트에 금속 할로겐화물 또는 금속 황화물을 삽입하여 6가지 자체 조립 재료를 만들고 Advanced Light에서 X선으로 검사했습니다.