Les propriétés électroniques des matériaux solides dépendent fortement des structures cristallines et de leurs dimensionnalités (c'est-à-dire, si les cristaux ont principalement des structures 2D ou 3D). Comme le note le professeur Takayoshi Katase de l'Institut de technologie de Tokyo, ce fait a un corollaire important :« Si la dimensionnalité de la structure cristalline peut être commutée de manière réversible dans le même matériau, un changement de propriété drastique peut être contrôlable. » Cette idée a conduit le professeur Katase et son équipe de recherche à l'Institut de technologie de Tokyo, en partenariat avec des collaborateurs de l'Université d'Osaka et de l'Institut national des sciences des matériaux, se lancer dans des recherches sur la possibilité de changer la dimensionnalité de la structure cristalline d'un semi-conducteur en alliage plomb-étain-séléniure. Leurs résultats apparaissent dans un article publié dans un numéro récent de la revue à comité de lecture Avancées scientifiques .

L'alliage plomb-étain-séléniure, (Pb 1 fois Sn X )Se est un objectif approprié pour de telles recherches car les ions plomb (Pb ²⁺ ) et les ions étain (Sn ²⁺ ) favorisent des dimensionnalités cristallines distinctes. Spécifiquement, le séléniure de plomb pur (PbSe) a une structure cristalline 3D, tandis que le séléniure d'étain pur (SnSe) a une structure cristalline 2D. SnSe a une bande interdite de 1,1 eV, similaire au semi-conducteur conventionnel Si. Pendant ce temps, Le PbSe a une bande interdite étroite de 0,3 eV et présente une mobilité des porteurs supérieure d'un ordre de grandeur à celle du SnSe. En particulier, la 3D (Pb 1 fois Sn X )Se a attiré beaucoup d'attention en tant qu'isolant topologique. C'est-à-dire, la substitution de Pb par Sn dans le PbSe 3D réduit la bande interdite et produit finalement un état de type Dirac sans gap. Par conséquent, si ces dimensionnalités de la structure cristalline peuvent être modifiées par des contraintes externes telles que la température, cela conduirait à une transition de phase fonctionnelle géante, tels qu'un grand changement de conductivité électronique et une transition d'état topologique, renforcée par les changements distincts de la structure électronique.

L'alliage PbSe et SnSe manipulerait la transition drastique de la structure, et tel (Pb 1 fois Sn X L'alliage )Se devrait induire une forte frustration autour des limites de phase. Cependant, il n'y a pas de limite de phase directe entre les phases 3D PbSe et 2D SnSe à l'équilibre thermique. A travers leurs expériences, Le professeur Katase et son équipe de recherche ont développé avec succès une méthode de croissance des cristaux d'alliage plomb-étain-séléniure hors d'équilibre avec des quantités égales de Pb ²⁺ et Sn ²⁺ ions (c'est-à-dire (Pb 0,5 Sn 0,5 )Se) qui ont subi des transitions de phase structurelles directes entre les formes 2D et 3D en fonction de la température. A des températures plus basses, la structure cristalline 2D prédominait, alors qu'à des températures plus élevées, la structure 3D prédominait. La structure cristalline 2D à basse température était plus résistante au courant électrique que le cristal 3D à haute température, et comme l'alliage était chauffé, ses niveaux de résistivité ont fortement plongé autour des températures auxquelles la transition de phase de dimensionnalité s'est produite. La présente stratégie facilite une commutation de dimensionnalité de structure différente et une autre commutation de propriété fonctionnelle dans les semi-conducteurs en utilisant une limite de phase artificielle.

En somme, l'équipe de recherche a développé une forme d'alliage semi-conducteur (Pb 1 fois Sn X )Se qui subit des transitions de phase de dimensionnalité cristalline dépendantes de la température, et ces transitions ont des implications majeures pour les propriétés électroniques de l'alliage. Interrogé sur l'importance du travail de son équipe, Le professeur Katase note que cette forme de la (Pb 1 fois Sn X L'alliage Se peut "servir de plate-forme pour des études scientifiques fondamentales ainsi que pour le développement de nouvelles fonctions dans les technologies des semi-conducteurs". Cet alliage spécialisé peut, donc, conduire à de nouvelles technologies passionnantes de semi-conducteurs avec une myriade d'avantages pour l'humanité.