Wetenschappers van Rice University en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hebben vooruitgang geboekt met het doel van tweedimensionale elektronica met een methode om de groei van uniforme atomaire lagen van molybdeendisulfide (MDS) te beheersen.

MDS, een halfgeleider, is een van een trilogie van materialen die nodig zijn om functionerende 2D elektronische componenten te maken. Ze kunnen ooit de basis vormen voor de fabricage van apparaten die zo klein zijn dat ze met het blote oog onzichtbaar zouden zijn.

Het werk verschijnt deze week online in Natuurmaterialen .

De Rice-labs van hoofdonderzoeker Jun Lou, Pulickel Ajayan en Boris Yakobson, alle hoogleraren van de afdeling Werktuigbouwkunde en Materiaalkunde van de universiteit, werkte samen met Wigner Fellow Wu Zhou en stafwetenschapper Juan-Carlos Idrobo bij ORNL in een ongebruikelijk initiatief dat experimenteel en theoretisch werk omvatte.

De doelen waren om te zien of grote, hoge kwaliteit, atomair dunne MDS-platen zouden kunnen worden gekweekt in een chemische dampafzetting (CVD) -oven en om hun kenmerken te analyseren. De hoop is dat MDS kan worden samengevoegd met grafeen, die geen bandgap heeft, en hexagonaal boornitride (hBN), een isolator, om veldeffecttransistors te vormen, geïntegreerde logische schakelingen, fotodetectoren en flexibele opto-elektronica.

"Voor echt atomaire circuits, dit is belangrijk, " zei Lou. "Als we dit materiaal aan het werk krijgen, dan hebben we een set materialen om mee te spelen, ingewikkelde apparaten."

Vorig jaar, Lou en Ajayan onthulden hun succes bij het maken van ingewikkelde patronen van verwevenheid van grafeen en hBN, waaronder de afbeelding van de uilmascotte van Rice. Maar er ontbrak nog een stukje voor de materialen om volwaardige partners te zijn in geavanceerde elektronische toepassingen. Dan, de onderzoekers waren al ver in hun studie van MDS als halfgeleidende oplossing.

"Tweedimensionale materialen zijn van de grond gekomen, " zei Ajayan. "De studie van grafeen leidde tot onderzoek naar veel 2D-materialen; molybdeendisulfide is er slechts één van. Eigenlijk, we proberen het hele scala aan bandhiaten tussen grafeen, dat is een halfmetaal, en de boornitride-isolator."

MDS verschilt van grafeen en hBN omdat het niet bepaald vlak is. Grafeen en hBN zijn plat, met arrays van zeshoeken gevormd door hun samenstellende atomen. Maar terwijl MDS er zeshoekig uitziet, van bovenaf bekeken, het is eigenlijk een stapel, met een laag molybdeenatomen tussen twee lagen zwavelatomen.

Co-auteur Zheng Liu, een gezamenlijke onderzoekswetenschapper in de laboratoria van Lou's en Ajayan, merkte op dat de Yakobson-groep voorspelde dat MDS en koolstofatomen zouden binden. "We zijn ermee bezig, " zei hij. "We willen grafeen en MDS samenvoegen (met hBN) in wat een roman zou worden, 2-D halfgeleidercomponent."

"De vraag is nu hoe je alle 2D-materialen bij elkaar kunt brengen, " zei co-auteur Sina Najmaei, een afgestudeerde Rice-student. "Het zijn heel verschillende soorten en ze worden in heel verschillende omgevingen gekweekt."

Tot voor kort, het kweken van MDS in een bruikbare vorm was moeilijk. De "Scotch tape"-methode om lagen uit een bulkmonster te trekken is geprobeerd, maar de resulterende materialen waren inconsistent, zei Lou. Vroege CVD-experimenten produceerden MDS met korrels die te klein waren om van nut te zijn vanwege hun elektrische eigenschappen.

Maar in het proces, de onderzoekers merkten op dat er "eilandjes" van MDS in de oven werden gevormd waar defecten of zelfs stukjes stof op het substraat verschenen. "Het materiaal is moeilijk te kiemen, in tegenstelling tot hBN of grafeen, " zei Najmaei. "We begonnen te leren dat we die kiemvorming konden beheersen door kunstmatige randen aan het substraat toe te voegen, en nu groeit het een stuk beter tussen deze structuren."

"Nu kunnen we korrelgroottes tot 100 micron telen, " zei Lou. Dat is nog steeds maar ongeveer de breedte van een mensenhaar, maar op nanoschaal, het is groot genoeg om mee te werken, hij zei.

Toen de teams van Ajayan en Lou eenmaal zulke grote MDS-arrays konden laten groeien, het ORNL-team bracht de atomaire structuren in beeld met behulp van aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie. De atomaire array is duidelijk te zien in de afbeeldingen en, belangrijker, net als de defecten die de elektronische eigenschappen van het materiaal veranderen.

"Om de eigenschappen van 2D-materialen te verbeteren, het is belangrijk om eerst te begrijpen hoe ze op een fundamentele schaal zijn samengesteld, "Zei Idrobo. "Onze microscopiefaciliteit bij ORNL stelt ons in staat om materialen te zien op een manier die ze nog nooit eerder hebben gezien - tot op het niveau van individuele atomen."

Yakobson, een theoretisch fysicus, en zijn team zijn gespecialiseerd in het analyseren van het samenspel van energie op atomaire schaal. Met ORNL's beelden in de hand, ze waren niet alleen in staat om de energieën van een veel complexere reeks defecten te berekenen dan die in grafeen of BN worden gevonden, maar konden hun aantal ook afstemmen op de afbeeldingen.

Een van de interessante vondsten van het Yakobson-team was het bestaan, vorig jaar gemeld, van geleidende subnano "draden" langs korrelgrenzen in MDS. Volgens hun berekeningen het effect trad alleen op wanneer korrels elkaar ontmoetten in precieze hoeken van 60 graden. De ORNL-elektronenmicroscopiebeelden maken het mogelijk om deze korrelgrenzen direct te bekijken.

De Rice-onderzoekers zien veel mogelijkheden om de materialen te combineren, niet alleen in tweedimensionale lagen maar ook als driedimensionale stapels. "Natuurlijke kristallen zijn gemaakt van structuren gebonden door de van der Waals-kracht, maar ze zijn allemaal van dezelfde samenstelling, " zei Lou. "Nu hebben we de mogelijkheid om 3D-kristallen te bouwen met verschillende samenstellingen."

"Dit zijn heel verschillende materialen, met verschillende elektronische eigenschappen en bandhiaten. Als we de ene op de andere plaatsen, krijgen we een nieuw soort materiaal dat we van der Waals-vaste stoffen noemen, "Zei Ajayan. "We kunnen ze samenvoegen in elke stapelvolgorde die we nodig hebben, wat een interessante nieuwe benadering in de materiaalwetenschap zou zijn.