Как вандерваальсовы гетероструктуры справляются с несоответствием решёток: новые данные

Вандерваальсовы гетероструктуры, состоящие из атомарно тонких слоёв, таких как графен, дихалькогениды переходных металлов и гексагональный нитрид бора, открывают путь к созданию электронных и оптоэлектронных устройств нового поколения. Однако ключевой проблемой остаётся несоответствие параметров кристаллических решёток между слоями, которое вызывает механические напряжения. Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, проливает свет на то, как эти структуры релаксируют деформацию, сохраняя свою целостность. Учёные из Национального университета Сингапура и Массачусетского технологического института впервые в реальном времени наблюдали за процессом релаксации деформации в гетероструктурах на основе дисульфида молибдена и гексагонального нитрида бора. Они обнаружили, что вместо образования дислокаций, характерных для традиционных полупроводников, слои формируют наноразмерные «морщины» и «складки», которые локально снимают напряжение. Это открытие не только углубляет понимание физики двумерных материалов, но и предлагает новые подходы к управлению свойствами наноустройств.

Механизмы релаксации деформации в вандерваальсовых гетероструктурах

Группа исследователей из Национального университета Сингапура и Массачусетского технологического института использовала комбинацию сканирующей просвечивающей электронной микроскопии и теоретического моделирования для наблюдения за процессом релаксации деформации в реальном времени. Они изучали гетероструктуры, состоящие из монослоя дисульфида молибдена (MoS2), помещённого на подложку из гексагонального нитрида бора (hBN). Несоответствие решёток между этими материалами составляет около 1,8%, что приводит к образованию периодических областей сжатия и растяжения. Учёные обнаружили, что релаксация деформации происходит не через образование дислокаций, как в традиционных полупроводниках, а путём формирования так называемых «морщин» (wrinkles) и «складок» (folds) на границе раздела. Эти топографические особенности позволяют слоям локально адаптироваться к несоответствию, снижая упругую энергию. В частности, было показано, что при определённых условиях возникает периодическая структура с периодом около 10 нанометров, где чередуются области сильного и слабого взаимодействия между слоями.

Как именно морщины снимают напряжение?

Процесс релаксации деформации начинается с того, что при осаждении монослоя MoS2 на подложку hBN из-за несоответствия решёток возникает периодическое поле напряжений. В областях, где решётки совпадают (так называемые «согласованные» области), энергия связи минимальна, а в областях несовпадения — максимальна. Чтобы снизить энергию, слой MoS2 начинает изгибаться, образуя выпуклости в местах максимального напряжения. Эти выпуклости, или «морщины», имеют высоту порядка 0,3 нанометра и ширину около 5 нанометров. Моделирование показало, что образование таких структур возможно только при определённом соотношении жёсткости слоёв и сил Ван-дер-Ваальса. Если подложка слишком жёсткая, релаксация происходит путём образования дислокаций, что может ухудшить электронные свойства. Таким образом, выбор материалов с подходящей упругостью является ключевым для создания стабильных гетероструктур.

Предыстория и контекст

Вандерваальсовы гетероструктуры стали предметом интенсивных исследований после открытия графена в 2004 году. В отличие от традиционных гетероструктур, где слои связаны ковалентными связями, в вандерваальсовых структурах слои удерживаются слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Это позволяет комбинировать материалы с разными параметрами решётки без образования дефектов, но при этом возникают механические напряжения, которые могут влиять на электронные свойства. Ранее считалось, что несоответствие решёток в таких системах приводит к образованию муаровых узоров — периодических модуляций электронного потенциала. Однако механизмы релаксации деформации оставались малоизученными. Настоящая работа впервые демонстрирует, что релаксация может происходить путём образования наноразмерных топографических структур, что открывает новые возможности для управления свойствами материалов.

Технические подробности и экспериментальные методы

Для наблюдения за релаксацией деформации исследователи использовали сканирующую просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения (STEM) в сочетании с методом дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD). Это позволило одновременно измерять топографию поверхности и локальные деформации с точностью до пикометра. Кроме того, были проведены расчёты методом функционала плотности (DFT) для оценки энергетики процесса. Ключевым результатом стало обнаружение, что период морщин обратно пропорционален величине несоответствия решёток. Для системы MoS2/hBN с несоответствием 1,8% период составил 10 нм, что соответствует предсказаниям теории упругости. При увеличении несоответствия до 3% период уменьшался до 6 нм, а высота морщин возрастала.

Кого затронет и как

Результаты исследования имеют прямое значение для разработчиков наноэлектронных устройств на основе вандерваальсовых гетероструктур. Понимание механизмов релаксации деформации позволяет предсказывать, как механические напряжения будут влиять на электронную структуру и транспортные свойства. Например, в полевых транзисторах на основе MoS2 деформация может изменять ширину запрещённой зоны, что влияет на пороговое напряжение. Кроме того, образование морщин может создавать локализованные состояния, которые служат центрами рассеяния носителей заряда, снижая подвижность. Для российской и мировой научной общественности это открытие даёт новые инструменты для дизайна материалов с заданными свойствами. В частности, можно целенаправленно создавать периодические деформации для формирования искусственных квантовых точек или волноводов для плазмонов.

Что будет дальше

Исследовательская группа планирует изучить влияние температуры и внешнего давления на процесс релаксации деформации. Также ведутся работы по созданию гетероструктур с контролируемым периодом морщин, что позволит использовать их как дифракционные решётки для нанофотоники. В более отдалённой перспективе возможно создание устройств, в которых деформация управляется внешним электрическим полем, что открывает путь к механически перестраиваемой электронике.

Итог

Новое исследование раскрывает фундаментальные механизмы релаксации деформации в вандерваальсовых гетероструктурах, показывая, что образование наноразмерных морщин является ключевым процессом, позволяющим материалам адаптироваться к несоответствию решёток. Эти результаты не только углубляют понимание физики двумерных материалов, но и предоставляют практические инструменты для инженерии деформации в наноустройствах. Следите за развитием этой области — она обещает прорывы в электронике и фотонике.