Onderzoekers van Penn State's Center for Two-Dimensional and Layered Materials en de University of Texas in Dallas hebben aangetoond dat ze in staat zijn om hoogwaardige, enkellaagse materialen op elkaar met behulp van chemische dampafzetting. Deze zeer schaalbare techniek, vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie, nieuwe materialen kan produceren met unieke eigenschappen die kunnen worden toegepast op zonnecellen, ultracondensatoren voor energieopslag, of geavanceerde transistors voor energiezuinige elektronica, naast vele andere toepassingen.

"Mensen hebben geprobeerd deze gelaagde materialen te stapelen met behulp van de plakbandmethode (een exfoliatiemethode die is ontwikkeld door Nobelprijswinnaars Novoselov en Geim om grafeen te produceren), maar dat laat residu achter op de lagen en is niet schaalbaar, " legt Joshua Robinson van Penn State uit, corresponderende auteur van een recent online gepubliceerd artikel in ACS Nano . Andere groepen hebben de chemische dampafzettingsmethode gebruikt om gelaagde materialen op een kopersubstraat te laten groeien, maar deze methode vereist enkele geavanceerde technieken om het gelaagde materiaal over te brengen naar een meer functioneel substraat zonder scheuren of vervuiling te veroorzaken.

Robinson en zijn collega's gebruikten een meer directe methode, met behulp van chemische dampafzetting om een ​​laag quasi-vrijstaand epitaxiaal grafeen (QFEG) op een siliciumcarbidesubstraat te laten groeien, gevolgd door een laag molybdeendisulfide (MoS2), een metaaldichalcogenideverbinding die veel als smeermiddel wordt gebruikt. Om de kwaliteit van de MoS2 op grafeen te testen, de onderzoekers gebruikten het materiaal om een ​​fotodetectorapparaat te bouwen om de efficiëntie van het gelaagde materiaal bij het omzetten van fotonen in elektronen te meten. Ze ontdekten dat de respons van het MoS2/QFEG-materiaal 100 keer hoger was dan alleen MoS2.

Voor apparaten, de QFEG-methode, die een laag waterstofatomen introduceert tussen het substraat en het grafeen en daardoor de grafeenlaag ontkoppelt van het onderliggende siliciumcarbide, bleek een betere keuze te zijn dan het meer standaard as-grown grafeen. Robinson zegt, "Over het algemeen is QFEG interessanter, en vanuit het oogpunt van het apparaat, het is van cruciaal belang."

Om te zien of quasi-vrijstaand grafeen een geschikte sjabloon was voor de groei van andere kunstmatig gestapelde atoomlagen, het team synthetiseerde twee andere vaste stoffen van Van der Waals:wolfraamdiselenide, en hexagonaal boornitride. (Van der Waals-vaste stoffen hebben een sterke binding in het vlak maar een zwakke binding tussen de lagen.) Ze stelden vast dat epitaxiaal grafeen "een uitstekende kandidaat was voor het bouwen van vdW-vaste stoffen met een groot oppervlak die buitengewone eigenschappen en prestaties zullen hebben."

De industrie heeft al grote interesse getoond in 2D-gelaagde materialen voor RF-toepassingen, low-power en goedkope halfgeleiders, en voor displays op flexibele substraten. "Dit is de eerste stap, Robinson zegt. "Om eigenschappen echt te beheersen, moeten we kijken naar een aantal van deze systemen die volledig nieuwe eigenschappen zouden moeten blijken te hebben wanneer ze op elkaar worden gestapeld."