(Phys.org) —Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het maken van hoogwaardige dunne halfgeleiderfilms op atomaire schaal, wat betekent dat de films slechts één atoom dik zijn. De techniek kan worden gebruikt om deze dunne films op grote schaal te maken, voldoende om wafels van 5 cm breed te coaten, of groter.

"Dit zou kunnen worden gebruikt om de huidige halfgeleidertechnologieën te schalen naar de atomaire schaal - lasers, lichtgevende dioden (LED's), computer chips, iets, " zegt Dr. Linyou Cao, een assistent-professor materiaalkunde en engineering bij NC State en senior auteur van een paper over het werk. "Mensen praten al heel lang over dit concept, maar het was niet mogelijk. Met deze ontdekking, Ik denk dat het mogelijk is."

De onderzoekers werkten met molybdeensulfide (MoS2), een goedkoop halfgeleidermateriaal met elektronische en optische eigenschappen vergelijkbaar met materialen die al in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt. Echter, MoS2 verschilt van andere halfgeleidermaterialen omdat het kan worden "gegroeid" in lagen van slechts één atoom dik zonder afbreuk te doen aan de eigenschappen ervan.

Bij de nieuwe techniek onderzoekers plaatsen zwavel- en molybdeenchloridepoeders in een oven en verhogen geleidelijk de temperatuur tot 850 graden Celsius, waardoor het poeder verdampt. De twee stoffen reageren bij hoge temperaturen om MoS2 te vormen. Terwijl nog steeds onder hoge temperaturen, de damp wordt vervolgens in een dunne laag op het substraat afgezet.

"De sleutel tot ons succes is de ontwikkeling van een nieuw groeimechanisme, een zelfbeperkende groei, ", zegt Cao. De onderzoekers kunnen de dikte van de MoS2-laag nauwkeurig regelen door de partiële druk en dampdruk in de oven te regelen. Partiële druk is de neiging van atomen of moleculen die in de lucht zijn gesuspendeerd om te condenseren tot een vaste stof en neer te slaan op het substraat Dampspanning is de neiging van vaste atomen of moleculen op het substraat om te verdampen en op te stijgen in de lucht.

Om een ​​enkele laag MoS2 op het substraat te creëren, de partiële druk moet hoger zijn dan de dampdruk. Hoe hoger de partiële druk, hoe meer lagen MoS2 naar de bodem zullen zakken. Als de partiële druk hoger is dan de dampdruk van een enkele laag atomen op het substraat, maar niet hoger dan de dampdruk van twee lagen, de balans tussen de partiële druk en de dampdruk kan ervoor zorgen dat dunnefilmgroei automatisch stopt zodra de monolaag is gevormd. Cao noemt dit "zelfbeperkende" groei.

De partiële druk wordt geregeld door de hoeveelheid molybdeenchloride in de oven aan te passen - hoe meer molybdeen er in de oven zit, hoe hoger de partiële druk.

"Door deze techniek te gebruiken, we kunnen dunne MoS2-monolaagfilms op wafelschaal maken, een atoom dik, elke keer, " zegt Cao. "We kunnen ook lagen produceren die twee, drie of vier atomen dik."

Cao's team probeert nu manieren te vinden om vergelijkbare dunne films te maken waarin elke atoomlaag van een ander materiaal is gemaakt. Cao werkt ook aan het maken van veldeffecttransistors en LED's met behulp van de techniek. Cao heeft patent aangevraagd op de nieuwe techniek.

De krant, "Gecontroleerde schaalbare synthese van uniform, Hoogwaardige monolaag en paarlaagse MoS2-films, " werd online gepubliceerd op 21 mei in Wetenschappelijke rapporten , een tijdschrift van de Nature Publishing Group.