In metrostations rond Londen, de waarschuwing voor "Mind the Gap" helpt forenzen om te voorkomen dat ze in een lege ruimte stappen als ze de trein verlaten. Als het gaat om het ontwerpen van enkellaagse atomaire structuren, door op de kloof te letten, kunnen onderzoekers kunstmatige elektronische materialen één atomaire laag per keer maken.

De opening is een minuscuul vacuüm dat alleen te zien is onder een hoogvermogentransmissie-elektronenmicroscoop. de kloof, onderzoekers van Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) geloven, is een energiebarrière die voorkomt dat elektronen gemakkelijk van de ene laag materiaal naar de volgende gaan.

"Het is een natuurlijke isolerende laag die Moeder Natuur in deze kunstmatig gecreëerde materialen heeft ingebouwd, " zei Jozua Robinson, assistent-professor materiaalkunde en engineering en associate director van het 2DLM Center. "We proberen nog steeds te begrijpen hoe elektronen verticaal door deze gelaagde materialen bewegen, en we dachten dat het veel minder energie zou kosten. Dankzij een combinatie van theorie en experiment, we weten nu dat we rekening moeten houden met deze kloof wanneer we nieuwe materialen ontwerpen."

Voor de eerste keer, de onderzoekers van Penn State groeiden een enkele atomaire laag wolfraamdiselenide op een één atoom dik substraat van grafeen met ongerepte interfaces tussen de twee lagen. Toen ze probeerden een spanning van de bovenste laag van wolfraamdiselenide (WSe2) naar de grafeenlaag te brengen, ze stuitten op een verrassende hoeveelheid weerstand. Ongeveer de helft van de weerstand werd veroorzaakt door de kloof, die een grote barrière introduceerde, ongeveer 1 elektronvolt (1eV), aan de elektronen die tussen de lagen proberen te bewegen. Deze energiebarrière zou nuttig kunnen zijn bij het ontwerpen van elektronische apparaten van de volgende generatie, zoals verticale tunneling veldeffecttransistoren, zei Robinson.

De interesse in deze van der Waals-materialen ontstond met de ontdekking van methoden om enkellaags grafiet te maken door plakband te gebruiken om mechanisch een één-atoom dikke laag koolstof, grafeen genaamd, te splitsen van bulkgrafiet. De van der Waals-kracht die lagen van grafiet aan elkaar bindt, is zwak genoeg om het strippen van de enkele atomaire laag mogelijk te maken. De onderzoekers van Penn State gebruiken een andere, meer schaalbare methode, zogenaamde chemische dampafzetting, om een ​​enkele laag kristallijn WSe2 af te zetten bovenop een paar lagen epitaxiaal grafeen dat is gegroeid uit siliciumcarbide. Hoewel het onderzoek naar grafeen in de afgelopen tien jaar explosief is gestegen, er zijn veel van der Waal vaste stoffen die kunnen worden gecombineerd om geheel nieuwe kunstmatige materialen te creëren met onvoorstelbare eigenschappen.

In een paper dat deze maand online is gepubliceerd in Nano-letters , het Penn State-team en collega's van UT Dallas, het marine onderzoekslaboratorium, Sandia Nationaal Laboratorium, en laboratoria in Taiwan en Saoedi-Arabië, ontdekte dat de wolfraamdiselenidelaag groeide in perfect uitgelijnde driehoekige eilanden van 1-3 micron groot die langzaam samensmolten tot een enkel kristal tot 1 vierkante centimeter. Robinson gelooft dat het mogelijk zal zijn om deze kristallen te laten groeien tot industrieel bruikbare waferschaalgroottes, hoewel hij een grotere oven nodig heeft dan hij momenteel in zijn laboratorium heeft.

"Een van de echt interessante dingen over deze kloof, "Robinson zei, "is dat het ons in staat stelt om uitgelijnde lagen te laten groeien ondanks het feit dat de atomen in het grafeen niet zijn uitgelijnd met de atomen in het wolfraamdiselenide. In feite is er een 23 procent roostermismatch, wat enorm is. Moeder Natuur heeft de regels echt versoepeld als het gaat om deze grote verschillen in atoomafstand."

De hoofdauteur van de Nano-letters papier is Yu-Chuan Lin, een afgestudeerde student in het laboratorium van Robinson. Andere medeauteurs van Penn State waren Ram Krishna Ghosh, een postdoctoraal onderzoeker in elektrotechniek (EE) die computermodellering gebruikte om het team te helpen de energiebarrière te begrijpen, Jie Li, postdoctoraal onderzoeker in EE, Theresa S. Mayer en Suman Datta, professoren in EE en Robinson, die samen met Lain-Jong Li van het Instituut voor Atoom- en Moleculaire Wetenschappen, Taiwan, was corresponderend auteur. In een zeldzaam stukje serendipiteit, Jeremy Robinson, een onderzoeker in het Naval Research Laboratory en de broer van Joshua Robinson, was ook co-auteur van het papier. Robert Wallace en zijn studenten van de Universiteit van Texas in Dallas leverden TEM-beelden.