Створено органічні двовимірні гетероструктури з керованою кристалічною ґраткою
Дослідники створили органічні двовимірні гетероструктури з контрольованим узгодженням ґраток і діодним випрямленням до 10⁷.
Дослідники представили спосіб створення повністю органічних двовимірних ван-дер-ваальсових гетероструктур — шаруватих матеріалів із контрольованим вирівнюванням кристалічних ґраток. Метод дає змогу послідовно вирощувати хімічно різні двовимірні полімери на поверхні води та задавати невідповідність їхніх ґраток на молекулярному рівні, повідомляє Nature.
Десять комбінацій полімерів
У роботі використали п’ять типів двовимірних полімерів: поліімін, поліімід, полібензимідазол, полібензотіазол і поліборатний естер. Їхні попарні поєднання дали десять гетероструктур із невідповідністю ґраток від 0% до 18%. Серед них були повністю узгоджені інтерфейси, структури з невеликою різницею 1,6% та з великою — 16,6% і 18%.
Шари формували поетапно в умовах довкілля. Автори застосували послідовне збирання безпосередньо на поверхні води: після утворення першого полімерного шару під нього організовували мономери для другого шару, а потім запускали полімеризацію. Товщину кожного шару можна було регулювати тривалістю реакції.
Вирівнювання без значного повороту
Дифракційні вимірювання рентгенівського випромінювання та електронна мікроскопія показали епітаксійне зростання, сумісне вирівнювання і хімічно чіткі межі в гетероструктурах із узгодженими ґратками. Для системи поліімін–полібензимідазол дослідники зафіксували впорядковану квадратну ґратку з параметром близько 2,5 нм. Відсутність виразного муарового контрасту узгоджується з майже нульовим кутом повороту між шарами.
Для зразків із різницею ґраток 1,6% та 18% спостерігали два набори внутрішньоплощинних рефлексів, що відповідали окремим матеріалам. У разі найбільшої невідповідності також виявили муарові ознаки та деформації, пов’язані зі зняттям напруження.
Розділення зарядів і діодний ефект
Оптичні вимірювання засвідчили надшвидке розділення електричних зарядів на межі шарів і пригнічення фотолюмінесценції до 90%. Розрахунки вказали на внутрішні електричні поля та стрибки потенціалу на інтерфейсах величиною від 0,3 до 2,1 В, які виникають через орієнтацію диполів.
Вертикальні пристрої на основі гетероструктур із узгодженими ґратками показали діодне випрямлення зі співвідношенням до 10⁷. Для систем із невеликою невідповідністю цей показник становив 10³–10², а для структур із великою різницею ґраток — близько 10. Автори роботи пов’язують характеристики пристроїв із точністю кристалічного узгодження на межі органічних шарів.
