grafeen, een enkel atoom dik rooster van koolstofatomen, wordt vaak aangeprezen als vervanging voor silicium in elektronische apparaten vanwege de extreem hoge geleidbaarheid en onovertroffen dunheid. Maar grafeen is niet het enige tweedimensionale materiaal dat zo'n rol zou kunnen spelen.

Onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania hebben vooruitgang geboekt bij het vervaardigen van zo'n materiaal, molybdeendisulfide. Door vlokken van het materiaal rond "zaden" van molybdeenoxide te laten groeien, ze hebben het gemakkelijker gemaakt om de grootte te regelen, dikte en locatie van het materiaal.

In tegenstelling tot grafeen, molybdeendisulfide heeft een energiebandafstand, wat betekent dat de geleidbaarheid kan worden in- en uitgeschakeld. Een dergelijke eigenschap is van cruciaal belang voor halfgeleiderapparaten die in de computer worden gebruikt. Een ander verschil is dat molybdeendisulfide licht uitzendt, wat betekent dat het kan worden gebruikt in toepassingen zoals LED's, zelfrapporterende sensoren en opto-elektronica.

De studie werd geleid door A.T. Charlie Johnson, hoogleraar bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan Penn's School of Arts &Sciences, en omvat leden van zijn lab, Bende Hee Han, Nicolaas Kybert, Carl Naylor en Jinglei Ping. Ook een bijdrage aan het onderzoek was Ritesh Agarwal, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Penn's School of Engineering and Applied Science; leden van zijn laboratorium, Bumsu Lee en Joohee Park; en Jisoo Kang, een masterstudent in het nanotechnologieprogramma van Penn. Ze werkten samen met onderzoekers van de Zuid-Koreaanse Sungkyunkwan University, Si Young Lee en Young Hee Lee.

Hun studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Alles wat we met reguliere elektronica doen, zouden we graag met tweedimensionale materialen kunnen doen, Johnson zei. "Grafeen heeft één reeks eigenschappen die het zeer aantrekkelijk maken voor elektronica, maar het mist deze kritische eigenschap, aan en uit kunnen zetten. Molybedenumdisulfide geeft je dat."

De ultrahoge geleidbaarheid van grafeen betekent dat het elektronen sneller kan verplaatsen dan enig ander bekend materiaal, maar dat is niet de enige kwaliteit die telt voor elektronica. Voor de transistors die de basis vormen voor moderne computertechnologie, het kunnen stoppen van de stroom van elektronen is ook van cruciaal belang.

"Molybedenumdisulfide is niet zo geleidend als grafeen, "Naylor zei, "maar het heeft een zeer hoge aan/uit-verhouding. We hebben enen en nullen nodig om berekeningen uit te voeren; grafeen kan ons alleen maar enen en .5's geven."

Andere onderzoeksgroepen hebben kleine vlokken molybdeendisulfide kunnen maken op dezelfde manier als grafeen eerst werd gemaakt, door het te exfoliëren, of het afpellen van atomair dunne lagen van het stortgoed. Recenter, andere onderzoekers hebben een andere techniek overgenomen van de productie van grafeen, chemische dampafzetting, waar het molybdeen en zwavel worden verwarmd tot gassen en worden achtergelaten om te bezinken en te kristalliseren op een substraat.

Het probleem met deze methoden is dat de resulterende vlokken zich op een scattershot-manier vormen.

"Tussen het jagen op de vlokken, " zei Kybert, "en ervoor zorgen dat ze de juiste maat en dikte hebben, het zou dagen duren om een ​​enkele meting van hun eigenschappen te maken"

De vooruitgang van het Penn-team was het ontwikkelen van een manier om te controleren waar de vlokken zich vormen in de chemische dampafzettingsmethode, door het substraat te "zaaien" met een voorloper.

"We beginnen met het plaatsen van een kleine hoeveelheid molybdeenoxide op de locaties die we willen, "Naylor zei, "dan stromen we zwavelgas in. Onder de juiste omstandigheden, die zaden reageren met zwavel en vlokken molybdeendisulfide om te groeien."

"Er komt finesse kijken bij het optimaliseren van de groeiomstandigheden, "Johnson zei, "maar we oefenen meer controle uit, het materiaal verplaatsen in de richting van het kunnen maken van ingewikkelde systemen. Omdat we het laten groeien waar we het willen, we kunnen apparaten gemakkelijker maken. We hebben alle andere delen van de transistors in een aparte laag die we op de vlokken vastklikken, tientallen en mogelijk zelfs honderden maken, apparaten tegelijk. Toen konden we zien dat we transistors maakten die aan en uit gingen zoals ze moesten en apparaten die licht uitstralen zoals ze moesten doen."

Door de locatie van de molybdeendisulfidevlokken te matchen met de bijbehorende elektronica, konden de onderzoekers een stap overslaan die ze moesten nemen bij het maken van op grafeen gebaseerde apparaten. Daar, grafeen wordt in grote platen gekweekt en vervolgens op maat gesneden, een proces dat het risico op schadelijke verontreiniging vergroot.

Toekomstig werk aan deze molybdeendisulfide-apparaten zal het onderzoek van het onderzoeksteam naar op grafeen gebaseerde biosensoren aanvullen; in plaats van de detectie van een molecuul naar een computer te sturen, Op molybdeendisulfide gebaseerde sensoren kunnen een bindingsgebeurtenis direct melden door een verandering in het licht dat ze uitstralen.

Dit onderzoek vertegenwoordigt ook de eerste stappen die kunnen worden gezet in de richting van het fabriceren van een nieuwe familie van tweedimensionale materialen.

"We kunnen het molybdeen vervangen door wolfraam en de zwavel door selenium, "Naylor zei, "en ga vanaf daar gewoon door het periodiek systeem. We kunnen ons voorstellen dat we al deze verschillende materialen laten groeien op de plaatsen die we kiezen en profiteren van al hun verschillende eigenschappen."