宾夕法尼亚州立大学和麻省理工学院（MIT）的研究人员提出了一种改进的方法，用于制造一种新型半导体，该半导体由几个原子组成，并以不寻常的方式与光相互作用。这种新的半导体可能导致新的计算和通信技术，这些技术使用的能量比当前的电子产品少。

新型半导体硒化锡（SnSe）将有助于开发一种称为“光子学”的新型电子产品，该电子器件使用光粒子或光子来存储，操纵和传输信息。传统的电子产品使用电子来做到这一点。

硒化锡是一种二元化合物，由锡和硒以1：1的比例组成。这种材料与光具有独特的相互作用，使其具有在电子产品中使用的巨大潜力。

“它可以被描述为一种具有两种不同颜色的材料，这意味着根据你看到它的方向，你将观察到不同的颜色，”麻省理工学院材料科学与工程系的博士后助理Wouter Mortelmans解释说，他是ACS Nano中关于这项工作的论文的主要作者。“这种特殊的光学特性对于使用光来计算，存储或传输信息非常有用。

Mortelmans说，为了利用这些与取向相关的特性，材料的制造必须通过原子精度控制来完成，这一点非常重要。颜色对材料方向的依赖性也允许更快，更轻松地检查材料质量。

“我们需要一种可靠的方法来制造材料，制造符合规格的设备，而不必担心随机的自然变化，”麻省理工学院材料科学与工程教授，该论文的资深作者Rafael Jaramillo说。

合成这种无缺陷材料的关键是称为外延的过程，这对于原子薄半导体来说可能具有挑战性。

“外延可以想象为类似于用乐高积木建造，其中感兴趣的材料被分解成三角形或矩形乐高积木的小个体单元，”宾夕法尼亚州立大学材料研究所2D晶体联盟（2DCC）助理研究教授Maria Hilse说。

“底座是一个超干净的主机晶体基板，可以在上面放置一定形状的'乐高'积木。理想情况下，我们选择这种起始基板，以便它与我们要组合的材料（即我们的乐高积木）的晶体结构完美契合。在SnSe的情况下，我们将有一个矩形的乐高积木池，我们希望将其组装在矩形乐高底板上，这是一个氧化铝（11-20）表面。

这项研究部分是通过Jaramillo和2DCC之间的研究关系实现的。2DCC是由美国国家科学基金会支持的国家用户设施，专注于推进下一代电子和量子技术中2D层状硫族化物的合成。

“大约一半的实验工作是在2DCC进行的，Mortelmans博士和Hilse博士之间进行了实际合作，”Jaramillo说。“与2DCC合作极大地扩展了我们可以使用的实验功能集，使这个项目比其他项目更加严格和令人信服。特别是，与Hilse博士和其他人的早期讨论对于激励和降低工作风险非常重要。

Hilse在2DCC的职责包括生长设施，其中进行了部分SnSe生长研究。

“2DCC使Wouter有可能来到宾夕法尼亚州立大学，并在现场接受我关于合成方法的培训，这使他能够进行本出版物所需的实验，”Hilse说。“2DCC的独特功能以及我的监督和经验有助于积累构建出版物的数据量。

论文中报告的结果为研究人员和公众提供了好处。Mortelmans说，对于研究人员来说，他们为2D材料的制造提供了见解。

“我们为具有原子精度控制的2D材料开发了一种新的外延工艺，这在如何制造高质量的2D材料方面获得了新的见解，”Mortelmans说。“2D材料的外延过程研究是一个相对年轻的领域，有优化的空间。凭借在这项工作中获得的新见解，我们希望进一步为2D材料外延工艺的进步做出贡献。

此外，研究人员开发了一种原始的结构表征方法来测量外延生长的2D材料的质量。

“这种快速简便的结构表征方法适用于所有具有取向依赖性光学特性的材料，”Jaramillo说。“这种方法可以显着减少进一步开发此类材料的时间和成本。

反过来，他们的研究可以帮助带来的那种广泛的光子技术将为社会带来多重好处。这些范围从大型电子产品的低功耗到用于农业，空气质量监测，公共卫生和运输的低成本环境传感器，再到用于改善自动驾驶汽车安全系统的计算机视觉和基于光的传感。

“光子学在降低功耗方面具有巨大的潜力，特别是在大型数据中心，这些数据中心是一个庞大且不断增长的电力消耗者，因此负责发电排放的相当大的一部分温室气体，”Jaramillo说。“因此，以可量化的方式，未来的基于光的计算可以减缓全球变暖。

鉴于研究人员开发的新制造工艺是使用光在SnSe中实现信息存储和传输的第一步，Mortelmans表示，麻省理工学院的研究人员很有可能在未来使用2DCC设施和专业知识。

“2DCC具有出色的设施，可以制造2D材料并在制造后测量超薄膜，”Mortelmans说。“在2D材料研发的许多不同重要领域都有很多专业知识。2DCC的未来工作还没有具体的计划，但是已经建立了联系，每当有新的机会进行有趣的合作时，这些联系将非常有用。

这个故事改编自宾夕法尼亚州立大学的材料，并由Materials Today进行了编辑更改。本文中表达的观点不一定代表爱思唯尔的观点。链接到原始源。