(Phys.org) —Angela Hight Walker van PML's Semiconductor and Dimensional Metrology Division en collega's zijn erin geslaagd een voorheen onbekende maar essentiële eigenschap - thermische geleidbaarheid - te meten van een ultradun materiaal dat naar verwachting een belangrijke rol zal spelen in de snelle opkomend gebied van nano-elektronica.

De verbinding is molybdeendisulfide (MoS2, of "moly" in het kort), een van de zogenaamde 2D-materialen - die waarin één dimensie slechts enkele nanometers dik is. Het eerste en meest bekende lid van deze klasse is grafeen, de kippengaasvormige reeks koolstofatomen die slechts tien jaar geleden werd geïsoleerd. Die prestatie was de basis van de Nobelprijs voor de Natuurkunde 2010. Dergelijke materialen zijn van toenemend belang voor onderzoekers en de industrie voor gebruik in geavanceerde elektronische apparaatstructuren met kenmerkende afmetingen gemeten in nanometers (miljardsten van een meter) die kunnen lezen, schrijven, en gegevens op te slaan op een manier die heel anders is dan die van conventionele transistors.

Een aantal 2D-materialen "vertonen eigenschappen die nieuwe geheugenapparaten mogelijk maken, " volgens de zojuist uitgebrachte International Technology Roadmap for Semiconductors, de industriegids voor toekomstige innovatie. Moly, een stof die bestaat uit afwisselende lagen molybdeen en zwavel, elk slechts één atoom dik, is veelbelovend voor miniaturisatie van gegevensopslag die verder gaat dan de huidige niveaus van flash-geheugen. Maar tot voor kort, een van de belangrijkste eigenschappen van moly was nog nooit gemeten.

"Toen we met onze studie begonnen, er was weinig bekend over de thermische eigenschappen van dit materiaal, "Hight Walker zegt, "en toch is die informatie van cruciaal belang Het meten van thermische geleidbaarheid is een absoluut cruciale stap in de evaluatie van een materiaal voor toepassingen in de elektronica - of waar dan ook, wat dat betreft."

In een publicatie eerder dit jaar, het team rapporteerde de eerste metingen van thermische geleidbaarheid in moly-monolagen - niet alleen met monsters ondersteund op substraten zoals saffier, of interactie met elektrische isolatoren zoals hafniumoxide, maar op geïsoleerde monsters van moly die in de ruimte zijn gesuspendeerd boven open gebieden van ongeveer 1,2 micrometer breed en dus niet beïnvloed door de thermische eigenschappen van de contactmaterialen.

"Wat dit werk bijzonder belangrijk maakt, " zegt Hight Walker van de Nanoelectronics Group, "is dat we nu in staat zijn om de intrinsieke fysieke eigenschappen van het materiaal echt te onderzoeken. Wetenschappelijk, dit is heel spannend."

Het team gebruikte een techniek genaamd Raman-spectroscopie, waarbij monochromatisch laserlicht op het atomair dunne moly-monster schijnt en het verstrooide licht wordt gedetecteerd. De frequentie van het verstrooide licht hangt af van de manier waarop het materiaal uitrekt en trilt, en tijdens beeldvorming beïnvloedt de temperatuur deze trillingen.

De groep bestudeert het effect van temperatuur op twee manieren:één door de monsteromgeving te verwarmen, en één door het laservermogen op het monster te vergroten. De onderzoekers konden vaststellen dat moly ongeveer 100 keer minder efficiënt is in het geleiden van warmte dan grafeen, maar dat de thermische respons vrij goed kan worden gemodelleerd.

De nieuwe metingen bieden de eerste uitgebreide kijk op hoe moly wordt beïnvloed door temperatuurstijging veroorzaakt door elektrische stroom, licht, of andere bronnen. De bevindingen kunnen het gebruik van moly - alleen of in combinatie met andere 2D-materialen - in nieuwe elektronische apparaten versnellen, of andere verwachte toepassingen zoals watersplitsing voor waterstofopwekking en verbeterde elektroden voor lithium-ionbatterijen. "Door te begrijpen wat zijn eigenschappen zijn, we kunnen het matchen met toepassingen om het wonder van het materiaal te benutten, ' zegt Hight Walker.

Er wordt gedacht aan een breed scala aan toepassingen. "Hoewel tweedimensionale (2D) overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD) al tientallen jaren worden bestudeerd, recente ontwikkelingen in de karakterisering van materialen op nanoschaal en de fabricage van apparaten hebben veel aandacht getrokken in de halfgeleiderindustrie vanwege nieuwe mogelijkheden voor 2D elektronische en opto-elektronische apparaten, " zegt Gennadi Bersuker, Medewerker bij SEMATECH.

"Met het scala aan aantrekkelijke eigenschappen zoals de aanwezigheid van een bandgap en een hoge thermische en mechanische stabiliteit, TMD-materialen hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor een breed scala aan toepassingen, waaronder energiezuinige digitale en flexibele elektronica, sensoren, fotovoltaïsche, en spintronica."

Medewerkers aan het project waren onder meer wetenschappers van de Notre Dame en Towson University, evenals de Ecole Polytechnique Federal de Lausanne in Zwitserland, die de extreem hoogwaardige MoS2-monsters opleverde. Het werk werd uitgevoerd in PML-laboratoria in Gaithersburg, MD, die over de geavanceerde apparatuur en instrumenten beschikken die nodig zijn om de precisiemetingen uit te voeren.