Tweedimensionale materialen hebben een hele reeks exotische eigenschappen omdat ze slechts één atoom dik zijn. A*STAR-onderzoekers hebben nu een methode ontwikkeld om grote gebieden van atoomdun materiaal te creëren voor gebruik in elektronische apparaten.

grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatachtig patroon, is het bekendste voorbeeld van een tweedimensionaal materiaal. Het is sterker dan staal, heeft uitstekende elektrische eigenschappen, en zou kunnen worden gebruikt om tweedimensionale apparaten te maken die veel kleiner zijn dan die welke momenteel zijn gemaakt van bulk- of dunnefilmsilicium. Echter, het is geen halfgeleider. En dus wenden wetenschappers zich tot andere materialen die deze essentiële eigenschap hebben voor het maken van transistors.

Shijie Wang van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en zijn medewerkers hebben nu een techniek gedemonstreerd voor het creëren van een enkele atomaire laag van molybdeendisulfide - een tweedimensionale halfgeleider.

Molybdeendisulfide behoort tot een familie van materialen die overgangsmetaaldichalcogeniden worden genoemd. Ze hebben twee chalcogenide-atomen (zoals zwavel, selenium of tellurium) voor elk overgangsmetaalatoom (molybdeen en wolfraam zijn voorbeelden). Deze materialen en hun brede scala aan elektrische eigenschappen bieden een uitstekend platformmateriaalsysteem voor veelzijdige elektronica. Maar het is moeilijk om materiaal van hoge kwaliteit te maken op gebieden die groot genoeg zijn voor productie op industriële schaal.

"Traditionele mechanische exfoliatiemethoden voor het verkrijgen van tweedimensionale materialen hebben een beperkt nut in commerciële toepassingen, en alle eerdere chemische methoden zijn onverenigbaar voor integratie met de fabricage van apparaten, ", zegt Wang. "Onze techniek is een proces in één stap dat monolaagfilms van goede kwaliteit kan laten groeien, of enkele lagen molybdeendisulfidefilms, op waferschaal op verschillende substraten met behulp van magnetronsputteren."

Het team vuurde een bundel argonionen af ​​op een molybdeendoelwit in een vacuümkamer. Hierdoor werden molybdeenatomen van het oppervlak uitgestoten waar ze reageerden met een nabijgelegen zwaveldamp. Deze atomen werden vervolgens geassembleerd op een verwarmd substraat van saffier of silicium. Het team ontdekte dat ze monolaag konden kweken, dubbellaags, drielaagse of dikkere monsters door het vermogen van de argon-ionenbundel of de depositietijd te veranderen.

Ze bevestigden de kwaliteit van hun materiaal met behulp van een aantal veelgebruikte karakteriseringstools, waaronder Raman-spectroscopie, atoomkrachtmicroscopie, Röntgenfoto-elektronenspectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. De onderzoekers demonstreerden ook de uitstekende elektrische eigenschappen van hun molybdeendisulfidefilms door een werkende transistor te creëren (zie afbeelding).

"Onze volgende stap in dit werk zal zich richten op de toepassing van deze techniek om andere tweedimensionale materialen te synthetiseren en te integreren met verschillende materialen voor verschillende apparaattoepassingen, " zegt Wang.