(Phys.org) — In baanbrekend nieuw onderzoek aan de Columbia University, wetenschappers hebben hoogwaardige kristallen van molybdeendisulfide (MoS2) gekweekt, 's werelds dunste halfgeleider, en bestudeerde hoe deze kristallen op atomaire schaal aan elkaar hechten om doorlopende vellen te vormen. Door prachtige beelden van opvallend symmetrische sterren en driehoeken van honderden microns breed, ze hebben belangrijke inzichten in de optische en elektronische eigenschappen van dit nieuwe materiaal ontdekt, die zowel geleidend als isolerend kan zijn om de basis "aan-uit-schakelaar" voor alle digitale elektronica te vormen. De studie is gepubliceerd op 5 mei, 2013, probleem van Natuurmaterialen .

"Ons onderzoek is het eerste dat systematisch onderzoekt welke soorten defecten het gevolg zijn van deze grote gezwellen, en om te onderzoeken hoe die defecten de eigenschappen ervan veranderen, " zegt James Hone, hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, die de studie leidde. "Onze resultaten zullen helpen bij het ontwikkelen van manieren om dit nieuwe materiaal te gebruiken in atomair dunne elektronica die een integraal onderdeel zal worden van een geheel nieuwe generatie revolutionaire producten, zoals flexibele zonnecellen die zich aanpassen aan de carrosserie van een auto."

Deze multidisciplinaire samenwerking tussen het Energy Frontier Research Center van Columbia University en het Kavli Institute for Nanoscale Science van Cornell University was gericht op molybdeendisulfide vanwege het potentieel om alles te creëren van zeer efficiënte, flexibele zonnecellen tot aanpasbare aanraakschermen. Eerder werk van Columbia toonde aan dat monolaag MoS2 een elektronische structuur heeft die verschilt van de bulkvorm, en de onderzoekers zijn enthousiast over het verkennen van andere atomair dunne metalen dichalcogeniden, die even interessante eigenschappen zouden moeten hebben. MoS2 bevindt zich in een klasse van materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden worden genoemd, die metalen kunnen zijn, halfgeleiders, diëlektrica, en zelfs supergeleiders.

"Dit materiaal is het nieuwste in een groeiende familie van tweedimensionale kristallen, " zegt Arend van der Zande, een research fellow bij het Columbia Energy Frontier Research Center en een van de drie hoofdauteurs van het artikel. "Grafeen, een enkele laag koolstofatomen, is de dunste elektrische geleider die we kennen. Met de toevoeging van de monolaag molybdeendisulfide en andere metaaldichalcogeniden, we hebben alle bouwstenen voor moderne elektronica die in atomair dunne vorm moeten worden gemaakt. Bijvoorbeeld, we kunnen ons nu voorstellen dat we twee verschillende monolaagse overgangsmetaal dichalcogeniden tussen lagen grafeen inklemmen om zonnecellen te maken die slechts acht atomen dik zijn - 20 duizend keer kleiner dan een mensenhaar!"

Tot vorig jaar, de meeste experimenten die MoS2 bestudeerden, werden gedaan door een proces dat mechanische exfoliatie wordt genoemd, die slechts monsters produceert van slechts enkele micrometers groot. "Hoewel deze kleine exemplaren prima zijn voor wetenschappelijke studies, " merkt Daniel Chenet op, een doctoraat in Hone's lab en een andere hoofdauteur, "ze zijn veel te klein voor gebruik in elke technologische toepassing. Het is van cruciaal belang om uit te zoeken hoe deze materialen op grote schaal kunnen worden gekweekt."

Om de stof te bestuderen, de onderzoekers verfijnden een bestaande techniek om groot te worden, symmetrische kristallen tot 100 micron breed, maar slechts drie atomen dik. "Als we een van deze kristallen zouden kunnen uitzetten tot de dikte van een stuk plastic folie, het zou groot genoeg zijn om een ​​voetbalveld te bedekken - en het zou geen verkeerd uitgelijnde atomen hebben, " zegt Pinshane Huang, een promovendus in het David Muller-lab bij Cornell en de derde hoofdauteur van het artikel.

Voor gebruik in vele toepassingen, deze kristallen moeten worden samengevoegd tot doorlopende vellen zoals patches op een quilt. De verbindingen tussen de kristallen, korrelgrenzen genoemd, kunnen net zo belangrijk zijn als de kristallen zelf bij het bepalen van de prestaties van het materiaal op grote schaal. "De korrelgrenzen worden belangrijk in elke technologie, "zegt Hone. "Zeg, bijvoorbeeld, we willen een zonnecel maken. Nu moeten we meters van dit materiaal hebben, geen micrometers, en dat betekent dat er duizenden korrelgrenzen zullen zijn. We moeten begrijpen wat ze doen, zodat we ze kunnen beheersen."

Het team gebruikte elektronenmicroscopie met atomaire resolutie om de korrelgrenzen van dit materiaal te onderzoeken. en zag lijnen van verkeerd uitgelijnde atomen. Toen ze eenmaal wisten waar ze de korrelgrenzen konden vinden, en hoe ze eruit zagen, het team zou het effect van een enkele korrelgrens op de eigenschappen van de MoS2 kunnen bestuderen. Om dit te doen, ze bouwden kleine transistors, de meest elementaire component in alle elektronica, uit de kristallen en zag dat de enkele, defecte lijn van atomen aan de korrelgrenzen zou de belangrijkste elektronische en optische eigenschappen van de MoS2 drastisch kunnen veranderen.

"We hebben veel vooruitgang geboekt bij het beheersen van de groei van dit nieuwe 'wonder'-nanomateriaal en ontwikkelen nu technieken om het in veel nieuwe technologieën te integreren, Hone voegt eraan toe. "We beginnen nog maar net aan de oppervlakte te komen van wat we met deze materialen kunnen maken en wat hun eigenschappen zijn. Bijvoorbeeld, we kunnen dit materiaal gemakkelijk van het groeisubstraat verwijderen en op elk willekeurig oppervlak overbrengen, waardoor we het kunnen integreren in grootschalige, flexibele elektronica en zonnecellen."

De kristalsynthese, optische metingen, elektronische metingen, en theorie werden allemaal uitgevoerd door onderzoeksgroepen van Columbia Engineering. De groei- en elektrische metingen zijn gedaan door het Hone-lab in de werktuigbouwkunde; de optische metingen zijn uitgevoerd in het Tony Heinz-lab in de natuurkunde. De structurele modellering en elektronische structuurberekeningen werden uitgevoerd door het laboratorium van David Reichman in de chemie. De elektronenmicroscopie werd uitgevoerd door experts op het gebied van atomaire beeldvorming in het David Muller-lab aan de School of Applied and Engineering Physics van Cornell University, en het Kavli Institute in Cornell voor Nanoscale Science.