Wetenschappers hebben ontwikkeld wat volgens hen de dunst mogelijke halfgeleider is, een nieuwe klasse van nanoschaalmaterialen gemaakt in platen van slechts drie atomen dik.

De onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben aangetoond dat twee van deze enkellaagse halfgeleidermaterialen kunnen worden verbonden op een atomair naadloze manier die bekend staat als een heterojunctie. Dit resultaat zou de basis kunnen vormen voor flexibel en transparant computergebruik van de volgende generatie, betere lichtgevende diodes, of LED's, en zonnetechnologieën.

"Heterojuncties zijn fundamentele elementen van elektronische en fotonische apparaten, " zei senior auteur Xiaodong Xu, een UW-assistent-professor materiaalkunde en techniek en natuurkunde. "Onze experimentele demonstratie van dergelijke verbindingen tussen tweedimensionale materialen zou nieuwe soorten transistors mogelijk moeten maken, LED's, nanolasers, en zonnecellen die moeten worden ontwikkeld voor sterk geïntegreerde elektronische en optische circuits binnen een enkel atomair vlak."

Het onderzoek is deze week online gepubliceerd in Natuurmaterialen .

De onderzoekers ontdekten dat twee platte halfgeleidermaterialen van rand tot rand kunnen worden verbonden met kristallijne perfectie. Ze werkten met twee enkellaags, of monolaag, materialen – molybdeendiselenide en wolfraamdiselenide – die zeer vergelijkbare structuren hebben, wat de sleutel was tot het creëren van de samengestelde tweedimensionale halfgeleider.

Medewerkers van het elektronenmicroscopiecentrum aan de Universiteit van Warwick in Engeland ontdekten dat alle atomen in beide materialen een enkele honingraatroosterstructuur vormden, zonder enige vervormingen of discontinuïteiten. Dit zorgt voor de sterkst mogelijke verbinding tussen twee enkellaagse materialen, nodig voor flexibele apparaten. Binnen dezelfde materiaalfamilie is het denkbaar dat onderzoekers andere paren op dezelfde manier aan elkaar kunnen binden.

De onderzoekers maakten de knooppunten in een kleine oven bij het UW. Eerst, ze stopten een poedermengsel van de twee materialen in een kamer die was verwarmd tot 900 graden Celsius (1, 652 F). Waterstofgas werd vervolgens door de kamer geleid en de verdampte atomen van een van de materialen werden naar een koeler gebied van de buis gevoerd en afgezet als enkellaagse kristallen in de vorm van driehoeken.

Na verloop van tijd, verdampte atomen uit het tweede materiaal en vervolgens bevestigd aan de randen van de driehoek om een ​​naadloze halfgeleidende heterojunctie te creëren.

"Dit is een schaalbare techniek, " zei Sanfeng Wu, een UW-promovendus natuurkunde en een van de hoofdauteurs. "Omdat de materialen verschillende eigenschappen hebben, ze verdampen en scheiden automatisch op verschillende tijdstippen. Het tweede materiaal vormt zich rond de eerste driehoek die zojuist is gevormd. Daarom zijn deze roosters zo mooi met elkaar verbonden."

Bij een grotere oven het zou mogelijk zijn om vellen van deze halfgeleiderheterostructuren in massa te produceren, aldus de onderzoekers. Op kleine schaal, het duurt ongeveer vijf minuten om de kristallen te laten groeien, met maximaal twee uur verwarmings- en koeltijd.

"We zijn erg enthousiast over de nieuwe wetenschappelijke en technische mogelijkheden die deze nieuwe structuren bieden, " zei senior auteur David Cobden, een UW hoogleraar natuurkunde. "In de toekomst, combinaties van tweedimensionale materialen kunnen op deze manier met elkaar worden geïntegreerd om allerlei interessante elektronische structuren te vormen, zoals in-plane kwantumputten en kwantumdraden, superroosters, volledig functionerende transistoren, en zelfs complete elektronische schakelingen."

De onderzoekers hebben al aangetoond dat de junctie veel sterker interageert met licht dan de rest van de monolaag, wat bemoedigend is voor opto-elektrische en fotonische toepassingen zoals zonnecellen.