De ontdekking van grafeen, een materiaal van slechts één atoom dik en met uitzonderlijke sterkte en andere nieuwe eigenschappen, begon een lawine van onderzoek naar het gebruik ervan voor alles, van elektronica tot optica tot structurele materialen. Maar nieuw onderzoek suggereert dat dit nog maar het begin was:een hele familie van tweedimensionale materialen kan nog bredere mogelijkheden bieden voor toepassingen die veel aspecten van het moderne leven zouden kunnen veranderen.

Het laatste "nieuwe" materiaal, molybdeendisulfide (MoS ₂ ) - dat al tientallen jaren wordt gebruikt, maar niet in zijn 2D-vorm - werd slechts een jaar geleden voor het eerst beschreven door onderzoekers in Zwitserland. Maar in dat jaar onderzoekers van MIT - die jarenlang hebben geworsteld om elektronische circuits uit grafeen te bouwen met zeer beperkte resultaten (behalve voor radiofrequentietoepassingen) - zijn er al in geslaagd een verscheidenheid aan elektronische componenten van MoS te maken ₂ . Ze zeggen dat het materiaal kan helpen bij de introductie van radicaal nieuwe producten, van hele glimmende muren tot kleding met ingebouwde elektronica tot brillen met ingebouwde beeldschermen.

Een rapport over de productie van complexe elektronische schakelingen uit het nieuwe materiaal werd deze maand online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters ; het papier is geschreven door Han Wang en Lili Yu, afgestudeerde studenten van de afdeling Elektrotechniek en Informatica (EECS); Tomás Palacios, de Emmanuel E. Landsman universitair hoofddocent van EECS; en anderen aan het MIT en elders.

Palacios zegt dat hij grafeen en MoS . denkt ₂ zijn slechts het begin van een nieuw domein van onderzoek naar tweedimensionale materialen. "Het is de meest opwindende tijd voor elektronica in de afgelopen 20 of 30 jaar, "zegt hij. "Het opent de deur naar een volledig nieuw domein van elektronische materialen en apparaten."

zoals grafeen, zelf een 2D-vorm van grafiet, molybdeendisulfide wordt al vele jaren gebruikt als industrieel smeermiddel. Maar het was tot vorig jaar nog nooit gezien als een 2D-platform voor elektronische apparaten, toen wetenschappers van de Zwitserse universiteit EPFL een transistor op het materiaal maakten.

MIT-onderzoekers kwamen snel in actie:Yi-Hsien Lee, een postdoc in de groep van universitair hoofddocent Jing Kong in EECS, een goede manier gevonden om grote platen van het materiaal te maken met behulp van een chemisch opdampproces. Lee bedacht deze methode terwijl hij met Lain-Jong Li werkte aan de Academia Sinica in Taiwan en verbeterde deze nadat hij naar MIT was gekomen. Palacios, Wang en Yu begonnen vervolgens bouwstenen van elektronische schakelingen te produceren op de platen gemaakt door Lee, evenals op MoS ₂ vlokken geproduceerd door een mechanische methode, die werden gebruikt voor het werk dat in het nieuwe artikel wordt beschreven.

Wang had moeite om circuits op grafeen te bouwen voor zijn promotieonderzoek, maar vond het veel gemakkelijker om te doen met het nieuwe materiaal. Er was een "flinke bottleneck" om vooruitgang te boeken met grafeen, hij legt uit, omdat dat materiaal geen bandgap heeft - de belangrijkste eigenschap die het mogelijk maakt om transistors te maken, de basiscomponent van logische en geheugencircuits. Hoewel grafeen op exacte manieren moet worden aangepast om een ​​bandgap te creëren, MoS ₂ hoort er natuurlijk gewoon bij.

Het ontbreken van een bandgap, Wang legt uit, betekent dat met een schakelaar gemaakt van grafeen, "Je kunt het aanzetten, maar je kunt het niet uitschakelen. Dat betekent dat je geen digitale logica kunt doen." Dus mensen zijn al jaren op zoek naar een materiaal dat enkele van de buitengewone eigenschappen van grafeen deelt, maar heeft ook deze ontbrekende kwaliteit - zoals molybdeendisulfide dat doet.

Omdat het al op grote schaal wordt geproduceerd als smeermiddel, en dankzij het voortdurende werk aan het MIT en andere laboratoria om er grote platen van te maken, opschaling van de productie van het materiaal voor praktisch gebruik moet veel gemakkelijker zijn dan bij andere nieuwe materialen, Wang en Palacios zeggen.

Wang en Palacios waren in staat om een ​​verscheidenheid aan elektronische basisapparaten op het materiaal te fabriceren:een omvormer, die een ingangsspanning naar het tegenovergestelde schakelt; een NAND-poort, een logisch basiselement dat kan worden gecombineerd om bijna elke logische bewerking uit te voeren; een geheugenapparaat, een van de belangrijkste componenten van alle computationele apparaten; en een meer complexe schakeling genaamd een ringoscillator, bestaande uit 12 onderling verbonden transistoren, die een nauwkeurig afgestemde golfoutput kan produceren.

Palacios zegt dat een mogelijke toepassing van het nieuwe materiaal grote schermen zijn, zoals televisietoestellen en computerschermen, waarbij een afzonderlijke transistor elke pixel van het scherm bestuurt. Omdat het materiaal slechts één molecuul dik is - in tegenstelling tot het sterk gezuiverde silicium dat wordt gebruikt voor conventionele transistors en miljoenen atomen dik moet zijn - zou zelfs een zeer groot scherm slechts een oneindig kleine hoeveelheid van de grondstoffen gebruiken. Dit kan mogelijk de kosten en het gewicht verlagen en de energie-efficiëntie verbeteren.

In de toekomst, het kan ook geheel nieuwe soorten apparaten mogelijk maken. Het materiaal kan worden gebruikt, in combinatie met andere 2D-materialen, om lichtgevende apparaten te maken. In plaats van een puntlichtbron te produceren uit één lamp, een hele muur zou kunnen gloeien, zachter produceren, minder fel licht. evenzo, de antenne en andere schakelingen van een mobiele telefoon kunnen in stof zijn geweven, het verstrekken van een veel gevoeligere antenne die minder stroom nodig heeft en in kleding kan worden verwerkt, zegt Palacios.

Het materiaal is zo dun dat het volledig transparant is, en het kan op vrijwel elk ander materiaal worden afgezet. Bijvoorbeeld, MoS ₂ kan worden toegepast op glas, het produceren van displays ingebouwd in een bril of het raam van een huis of kantoor.

Ali Javey, een universitair hoofddocent elektrotechniek en computerwetenschappen aan de Universiteit van Californië in Berkeley, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt gelaagde materialen zoals MoS ₂ zijn "een veelbelovende klasse van materialen voor toekomstige elektronica, " maar waarschuwt dat "de toekomst er rooskleurig uitziet voor gelaagde halfgeleiders, maar er moet nog werk worden verricht om hun prestatielimieten en grootschalige productie beter te begrijpen."

Algemeen, Javey zegt, het onderzoek van het MIT-team is "elegant" werk dat "een belangrijke stap voorwaarts zet op het gebied van gelaagde halfgeleiders."

Naast Palacios, kong, Wang, Yu en Lee, het werk werd uitgevoerd door afgestudeerde student Allen Hsu en MIT-filiaal Yumeng Shi, met de onderzoekers van het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium Matthew Chin en Madan Dubey, en Lain-Jong Li van Academia Sinica in Taiwan. Het werk werd gefinancierd door het Amerikaanse Office of Naval Research, het Focus Center for Materials van Microelectronics Advanced Research Corporation, de National Science Foundation en het Army Research Laboratory.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.