У почесному напівпровіднику виростили нанопровід товщиною в три атоми

Хімікам вдалося отримати бездефектний одномірний наноканал із сульфіду молібдену в почесному селенді вольфраму. Товщина такого каналу склала від 3 до 5 атомів, а для його створення використовувалися дислокації на кордоні гетерогенного акціонерного кристала, йдеться в статті, опублікованій в.

Завдяки своїм незвичайним фізичним властивостям почесні кристали вважаються вкрай перспективними матеріалами, зокрема, для створення електронних пристроїв наступного покоління. Як і тривимірні кристали, упереджені одноатомні плівки можуть бути металами, напівпровідниками і діелектриками. Так, найбільш популярними напівпровідниковими кісталами є халькогеніди перехідних металів, зокрема сульфіди, селеніди і телюриди вольфраму і молібдену. При цьому, крім безпосередньо хімічного складу і кристалічної структури, властивості таких кристалів залежать від наявності в них дефектів і домішок, і стану краю і хімічного оточення.

У своїй роботі вчені з США, Саудівської Аравії і Тайваню під керівництвом Девіда Мюллера (David A. Muller) запропонували спосіб для створення в структурі напівпровідникового почесного кристала бездефектного одномірного наноканалу іншого складу. Для цього вони розглянули матеріал, в якому стикуються два почесних кристала: дисульфіда молібдена MoS₂ і диселеніда вольфрама WSe₂. На стику двох кристалів через невелику невідповідність параметрів кристалічної решітки можливе утворення дислокацій - елементів розупорядкованої структури в результаті наявності зайвого атома, який намагається вбудуватися в четверту кристалічну решітку.

Виявилося, що при наявності в навколишній атмосфері молекул потрібного складу такі дислокації можуть стати центрами зростання наноканалів з одного матеріалу всередину іншого. В даному випадку всередину дислокації на кордоні двох кристалів починають вбудовуватися атоми молібдену і сірки, змушуючи дислокацію зміщуватися вглиб плівки селенида вольфрама. В результаті всередину селініда вольфрама починає проростати каналу з сульфіду молібдену.

Вчені спостерігали за зростанням каналів за допомогою кільцевого темнопільного просвічуючого растрового електронного мікроскопа (annular dark-field scanning transmission electron microscopy, ADF-STEM). Завдяки різниці в масі між атомами вольфраму і молібдену вдається отримати контрастне зображення з атомарною роздільною здатністю. Виявилося, що розмір кристалічної комірки в наноканалі MoS₂ повністю відповідав структурі навколишнього його WSe₂. Тому дислокація зберігалася тільки на точці фронту росту каналу, а з боків сіро-молібденовий канал утворював бездефектне з'єднання з навколишньою кристалічною решіткою, в якому не було ненасичених обірваних зв'язків.

Щоб пояснити чому дислокації виступають каталізатором зростання таких наноканалів, вчені провели чисельне моделювання освіти і розриву хімічних зв'язків у таких системах за допомогою методів теорії функціоналу щільності та молекулярної динаміки. Виявилося, що вбудовування сірки на позиції селену і молібдену на позиції вольфраму дійсно є енергетично вигідним і призводить до поступового зміщення дислокації.

Альтернативним джерелом дислокацій, необхідних для зростання наноканалів, можуть бути межі зерен. При цьому напрямок поширення каналів залежить від орієнтації кордону щодо кристалографічних напрямків, і в деяких випадках можливе утворення гілкових структур.

Автори роботи стверджують, що за допомогою таких одномірних наноканалів з бездефектною структурою в почесних кристалах в майбутньому можна буде отримувати матеріали, в яких можна буде розділяти заряди і концентрувати їх в потрібних точках кристала. Управління електронною структурою напівпровідникових плівок таким чином робить ці матеріали вкрай перспективними для використання в електронних пристроях нового покоління.