(Phys.org) —Nanoengineering-onderzoekers van Rice University en Nanyang Technological University in Singapore hebben een potentieel schaalbare methode onthuld voor het maken van één atoom dikke lagen molybdeendiselenide - een veelgevraagde halfgeleider die lijkt op grafeen maar betere eigenschappen heeft om bepaalde elektronische apparaten zoals schakelbare transistors en lichtgevende dioden.

De methode voor het maken van tweedimensionaal molybdeendiselenide maakt gebruik van een techniek die bekend staat als chemische dampafzetting (CVD) en wordt online beschreven in een nieuw artikel in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano . De bevinding is significant omdat CVD veel wordt gebruikt door de halfgeleider- en materiaalindustrie om dunne films van silicium te maken, koolstofvezels en andere materialen.

"Met deze nieuwe methode kunnen we de eigenschappen van molybdeendiselenide in een aantal toepassingen benutten, " zei studieleider Pulickel Ajayan, voorzitter van Rice's Department of Materials Science and Nano Engineering. "In tegenstelling tot grafeen, die nu gemakkelijk in grote vellen kunnen worden gemaakt, veel interessante 2D-materialen blijven moeilijk te synthetiseren. Nu we een stabiele efficiënte manier om 2-D molybdeendiselenide te produceren, we zijn van plan deze robuuste procedure uit te breiden naar andere 2D-materialen."

In de Rice-studie Ajayan en collega's testten hun atomair dunne lagen molybdeendiselenide door een veldeffecttransistor (FET) te bouwen, een veelgebruikt apparaat in de micro-elektronische industrie. Tests van de FET vonden dat de elektronische eigenschappen van de molybdeendiselenidelagen significant beter waren dan die van molybdeendisulfide; de laatste is een soortgelijk materiaal dat uitgebreider is bestudeerd omdat het gemakkelijker te fabriceren was. Bijvoorbeeld, uit de FET-tests bleek dat de elektronenmobiliteit van Rice's molybdeendiselenide hoger was dan die van CVD-gegroeid, molybdeendisulfide.

In de vastestoffysica, elektronenmobiliteit verwijst naar hoe snel elektronen door een metaal of halfgeleider gaan in aanwezigheid van een elektrisch veld. Materialen met een hoge elektronenmobiliteit hebben vaak de voorkeur om het stroomverbruik en de verwarming in micro-elektronische apparaten te verminderen.

"In staat zijn om op een gecontroleerde manier 2D-materialen te maken, zal echt een impact hebben op ons begrip en gebruik van hun fascinerende eigenschappen, " zei co-auteur van de studie, Emilie Ringe, assistent-professor materiaalkunde en nano-engineering en scheikunde bij Rice. "Het karakteriseren van zowel de structuur als de functie van een materiaal, zoals we in dit artikel hebben gedaan, is van cruciaal belang voor dergelijke vooruitgang."

Molybdeendiselenide en molybdeendisulfide behoren elk tot een klasse van materialen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden; TMDC's worden zo genoemd omdat ze uit twee elementen bestaan, een overgangsmetaal zoals molybdeen of wolfraam en een "chalcogeen" zoals zwavel, selenium of telluur.

TMDC's hebben veel belangstelling getrokken van materiaalwetenschappers omdat ze een atomaire structuur hebben die lijkt op grafeen, de pure koolstofwondermaterialen die in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen. Grafeen en soortgelijke materialen worden vaak tweedimensionaal genoemd omdat ze slechts één atoom dik zijn. Grafeen heeft buitengewone elektronische eigenschappen. Bijvoorbeeld, zijn elektronenmobiliteit is tienduizenden keren groter dan die van TMDC's.

Echter, tweedimensionale TMDC's zoals molybdeendiselenide hebben veel belangstelling gewekt omdat hun elektronische eigenschappen complementair zijn aan grafeen. Bijvoorbeeld, puur grafeen heeft geen bandgap - een nuttige elektronische eigenschap die ingenieurs kunnen gebruiken om FET's te maken die gemakkelijk kunnen worden in- en uitgeschakeld.

Zoals met veel nanomaterialen, wetenschappers hebben ontdekt dat de fysieke eigenschappen van TMDC's aanzienlijk veranderen wanneer het materiaal eigenschappen op nanoschaal heeft. Bijvoorbeeld, een plak molybdeendiselenide die zelfs maar een micron dik is, heeft een "indirecte" bandgap, terwijl een tweedimensionale laag molybdeendiselenide een "directe" bandgap heeft. Het verschil is belangrijk voor elektronica omdat materialen met directe bandgap kunnen worden gebruikt om schakelbare transistoren en gevoelige fotodetectoren te maken.

"Een van de drijvende krachten in Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering is de nauwe samenwerking die ontstaat tussen de mensen die zich richten op synthese en degenen onder ons die betrokken zijn bij karakterisering, " zei Ringe, die in januari aan de faculteit van Rice toetrad. "We hopen dat dit het begin zal zijn van een reeks nieuwe protocollen om op betrouwbare wijze een verscheidenheid aan 2D-materialen te synthetiseren."