Cara Sederhana untuk Mendapatkan Semikonduktor Kompleks untuk Merakit Sendiri

Penumpukan lapisan bahan yang sangat tipis di atas satu sama lain dapat menciptakan bahan baru dengan sifat baru yang menarik. Tetapi proses yang paling sukses untuk membangun tumpukan tersebut bisa jadi membosankan dan tidak sempurna, dan tidak cocok untuk produksi skala besar.

Sekarang tim yang dipimpin oleh Profesor Stanford Hemamala Karunadasa telah menciptakan cara yang lebih sederhana dan lebih cepat untuk melakukannya. Mereka menumbuhkan lapisan 2D dari salah satu bahan yang paling dicari, yang dikenal sebagai perovskit, yang disisipkan dengan lapisan tipis bahan lain dalam kristal besar yang berkumpul sendiri.

Perakitan berlangsung dalam botol di mana bahan kimia untuk lapisan jatuh di dalam air, bersama dengan molekul berbentuk barbel yang mengarahkan tindakan. Setiap ujung barbel membawa template untuk menumbuhkan satu jenis lapisan. Saat lapisan mengkristal — proses yang mirip dengan membuat permen batu — barbel secara otomatis menghubungkannya dalam urutan yang benar.

Para peneliti mengatakan metode mereka meletakkan dasar untuk membuat beragam semikonduktor kompleks dengan cara yang jauh lebih disengaja, termasuk kombinasi bahan yang belum diketahui berpasangan dalam kristal sebelumnya.

“Daripada memanipulasi bahan satu lapis pada satu waktu,” kata Karunadasa, “kami hanya membuang ion ke dalam panci berisi air dan membiarkan ion berkumpul dengan cara yang mereka inginkan. Kita bisa membuat gram dari benda ini, dan kita tahu di mana letak atom dalam kristal. Tingkat presisi ini memungkinkan saya untuk mengetahui seperti apa sebenarnya antarmuka antar lapisan, yang penting untuk menentukan struktur elektronik material — bagaimana perilaku elektronnya.”

Perovskit halida — bahan yang memiliki struktur oktahedral yang sama dengan mineral perovskit alami — telah dirakit dalam air sejak tahun 1900-an. Mereka memiliki banyak potensi untuk secara efisien menyerap sinar matahari dalam sel surya dan mengubahnya menjadi listrik, tetapi mereka juga terkenal tidak stabil, terutama di lingkungan yang panas dan terang tempat fotovoltaik beroperasi.

Melapisi perovskit dengan bahan lain dapat menggabungkan sifat-sifatnya dengan cara yang meningkatkan kinerjanya dalam aplikasi tertentu. Tetapi prospek yang lebih menarik adalah bahwa properti yang sama sekali baru dan tak terduga dapat muncul di antarmuka tempat lapisan bertemu; misalnya, para ilmuwan sebelumnya telah menemukan bahwa menumpuk lapisan tipis dari dua jenis isolator yang berbeda dapat menghasilkan konduktor listrik.

Sulit untuk memprediksi kombinasi bahan mana yang akan menarik dan bermanfaat. Terlebih lagi, membuat bahan berlapis tipis merupakan proses yang lambat dan melelahkan. Lapisan umumnya dibuat dengan mengupas film setebal satu atau dua atom, satu per satu, dari potongan material yang lebih besar. Begitulah cara graphene dibuat dari grafit, suatu bentuk karbon murni yang digunakan dalam pensil. Dalam kasus lain, bahan berlapis tipis ini dibuat dalam jumlah kecil pada suhu yang sangat tinggi.

“Cara pembuatannya belum terukur dan terkadang sulit untuk direproduksi dari satu batch ke batch lainnya,” kata Karunadasa. “Mengupas lapisan yang hanya setebal satu atau dua atom adalah pekerjaan khusus; itu bukan sesuatu yang Anda dan saya bisa pergi ke lab dan melakukannya. Lembaran ini seperti setumpuk kartu yang sangat fleksibel; ketika Anda mengeluarkannya, itu bisa kusut atau tertekuk. Jadi, sulit untuk mengetahui struktur pasti dari tumpukan terakhir. Ada sangat sedikit preseden untuk materi yang terlihat seperti yang kami buat dalam penelitian ini.”

Ditemukan bahwa lapisan tipis atom ini memiliki struktur yang sama dengan blok 3D dari bahan serupa yang sifat-sifatnya telah diketahui dan bahwa dua lapisan berbeda harus sedikit terdistorsi untuk berbagi antarmuka.

Membuat struktur berlapis adalah proses yang sama persis seperti membuat permen batu, di mana Anda menjatuhkan pasak kayu ke dalam larutan gula jenuh dan kristal permen menaburkan diri ke pasak, ”kata peneliti Michael Aubrey. “Tetapi dalam hal ini bahan awalnya berbeda dan Anda tidak memerlukan paku kayu — kristal akan mulai terbentuk di dalam air atau di permukaan botol kaca.”

Tim membuat enam bahan rakitan sendiri, menyisipkan perovskit dengan halida logam atau sulfida logam dan memeriksanya dengan sinar-X di Advanced Light