Columbia Engineering-onderzoekers hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat het alleen mogelijk is om elektrisch contact te maken met een atomair dun tweedimensionaal (2D) materiaal langs de eendimensionale (1D) rand, in plaats van van bovenaf contact op te nemen, wat de conventionele benadering is geweest. Met deze nieuwe contactarchitectuur ze hebben een nieuwe montagetechniek ontwikkeld voor gelaagde materialen die contaminatie aan de interfaces voorkomt, en, grafeen gebruiken als model 2D-materiaal, laten zien dat deze twee methoden in combinatie resulteren in het schoonste grafeen dat tot nu toe is gerealiseerd. De studie is gepubliceerd in Wetenschap op 1 november 2013.

"Dit is een opwindend nieuw paradigma in materiaaltechnologie waarbij in plaats van de conventionele benadering van laag voor laag groei, hybride materialen kunnen nu worden vervaardigd door mechanische assemblage van samenstellende 2D-kristallen, " zegt professor elektrotechniek Ken Shepard, co-auteur van het artikel. "Geen enkele andere groep is erin geslaagd om met succes een zuivere randcontactgeometrie te bereiken voor 2D-materialen zoals grafeen."

Hij voegt eraan toe dat eerdere inspanningen hebben gekeken naar het verbeteren van 'topcontacten' door aanvullende engineering, zoals het toevoegen van doteermiddelen:"Onze nieuwe randcontactgeometrie zorgt voor een efficiënter contact dan de conventionele geometrie zonder de noodzaak van verdere complexe verwerking. Er zijn nu veel meer mogelijkheden bij het nastreven van zowel apparaattoepassingen als fundamentele natuurkundige verkenningen."

Voor het eerst geïsoleerd in 2004, grafeen is het best bestudeerde 2D-materiaal en is het onderwerp geweest van duizenden artikelen die het elektrische gedrag en apparaattoepassingen ervan bestuderen. "Maar in bijna al dit werk, de prestaties van grafeen worden aangetast door blootstelling aan verontreiniging, " merkt professor werktuigbouwkunde James Hone op, die ook co-auteur is van de studie. "Het blijkt dat de problemen van besmetting en elektrisch contact met elkaar verband houden. Elk hoogwaardig elektronisch materiaal moet worden ingekapseld in een isolator om het te beschermen tegen de omgeving. Grafeen heeft niet het vermogen om out-of-plane bindingen te maken, waardoor elektrisch contact via het oppervlak moeilijk is, maar voorkomt ook hechting aan conventionele 3D-isolatoren zoals oxiden. In plaats daarvan, de beste resultaten worden verkregen door gebruik te maken van een 2D-isolator, die geen bindingen hoeft te maken aan het oppervlak. Echter, er was tot nu toe geen manier om elektrisch toegang te krijgen tot een volledig ingekapseld grafeenblad."

In dit werk, zegt Cory Dean, die het onderzoek leidde als postdoc aan Columbia en nu assistent-professor is aan The City College of New York, het team loste zowel de contact- als de besmettingsproblemen in één keer op. "Een van de grootste troeven van 2D-materialen zoals grafeen is dat het slechts één atoom dik is, we hebben directe toegang tot zijn elektronische eigenschappen. Tegelijkertijd, dit kan een van de slechtste eigenschappen zijn, omdat dit het materiaal extreem gevoelig maakt voor zijn omgeving. Elke externe vervuiling verslechtert snel de prestaties. De noodzaak om grafeen te beschermen tegen ongewenste wanorde, terwijl elektrische toegang nog steeds mogelijk is, is de belangrijkste wegversperring geweest die de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde technologieën verhinderde. Door alleen contact te maken met de 1D-rand van grafeen, we hebben een fundamenteel nieuwe manier ontwikkeld om onze 3D-wereld te overbruggen naar deze fascinerende 2D-wereld, zonder de inherente eigenschappen ervan te verstoren. Dit elimineert vrijwel externe besmetting en laat grafeen eindelijk zijn ware potentieel in elektronische apparaten tonen"

De onderzoekers hebben de 2D-grafeenlaag volledig ingekapseld in een sandwich van dunne isolerende boornitridekristallen, gebruikmakend van een nieuwe techniek waarbij kristallagen één voor één worden gestapeld. "Onze aanpak voor het samenstellen van deze heterostructuren elimineert volledig elke verontreiniging tussen lagen, "Daan legt uit, "wat we hebben bevestigd door de apparaten door te snijden en ze af te beelden in een transmissie-elektronenmicroscoop met atomaire resolutie."

Nadat ze de stapel hebben gemaakt, ze hebben het geëtst om de rand van de grafeenlaag bloot te leggen, en vervolgens verdampt metaal op de rand om het elektrische contact te maken. Door contact te maken langs de rand, het team realiseerde een 1D-interface tussen de 2D-actieve laag en de 3D-metaalelektrode. En, hoewel elektronen alleen binnenkwamen aan de 1D atomaire rand van de grafeenplaat, de contactweerstand was opmerkelijk laag, het bereiken van 100 Ohm per micron contactbreedte - een waarde die kleiner is dan wat kan worden bereikt voor contacten aan het bovenoppervlak van grafeen.

Met de twee nieuwe technieken - de contactarchitectuur via de 1D-rand en de stapelassemblagemethode die besmetting op de interfaces voorkomt - was het team in staat om te produceren wat volgens hen het 'schoonste grafeen tot nu toe is gerealiseerd'. Op kamertemperatuur, deze apparaten vertonen voorheen onbereikbare prestaties, inclusief elektronenmobiliteit die minstens twee keer zo groot is als elk conventioneel 2D-elektronensysteem, en plaatweerstand van minder dan 40 Ohm wanneer voldoende ladingen aan de plaat worden toegevoegd door elektrostatische "gating". wonderbaarlijk, deze 2D-plaatweerstand komt overeen met een "bulk" 3D-weerstand die kleiner is dan die van enig metaal bij kamertemperatuur. Bij lage temperatuur, elektronen reizen door de monsters van het team zonder verstrooiing, een fenomeen dat bekend staat als ballistisch transport. Ballistisch transport, eerder waren waargenomen in monsters van bijna een micrometer groot, maar dit werk demonstreert hetzelfde gedrag in monsters zo groot als 20 micrometer. "Tot nu toe wordt dit puur beperkt door de grootte van het apparaat, " zegt Daan, "wat aangeeft dat het echte 'intrinsieke' gedrag nog beter is."

Het team werkt nu aan het toepassen van deze technieken om nieuwe hybride materialen te ontwikkelen door mechanische assemblage en randcontact van hybride materialen op basis van de volledige reeks beschikbare 2D-gelaagde materialen, inclusief grafeen, boornitride, overgangsmetaal dichlcogeniden (TMDC's), transition metal oxides (TMOs), and topological insulators (TIs). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).