In 2013 James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering, en collega's van Columbia hebben aangetoond dat ze de prestaties van grafeen - sterk geleidende tweedimensionale (2D) koolstof - drastisch kunnen verbeteren door het in boornitride (BN) in te kapselen, een isolatiemateriaal met een gelijkaardige gelaagde structuur.

In werk gepubliceerd deze week in de Advance Online Publication on Natuur Nanotechnologie de website van, onderzoekers van Columbia Engineering, Harvard, Cornell, Universiteit van Minnesota, Yonsei-universiteit in Korea, Deense Technische Universiteit, en het Japanse National Institute of Materials Science hebben aangetoond dat de prestaties van een ander 2D-materiaal - molybdeendisulfide (MoS ₂ ) - kan op dezelfde manier worden verbeterd door BN-inkapseling.

"Deze bevindingen bieden een demonstratie van hoe alle 2D-materialen moeten worden bestudeerd, " zegt Hon, leider van deze nieuwe studie en directeur van Columbia's NSF-gefinancierde Materials Research Science and Engineering Center. "Onze combinatie van BN- en grafeenelektroden is als een 'aansluiting' waarin we veel andere materialen kunnen plaatsen en ze in een extreem schone omgeving kunnen bestuderen om hun ware eigenschappen en potentieel te begrijpen. Dit is veelbelovend voor een breed scala aan toepassingen, waaronder hoge -prestatie elektronica, detectie en emissie van licht, en chemische/bio-sensing."

Tweedimensionale (2D) materialen gecreëerd door atomair dunne lagen van bulkkristallen "af te pellen" zijn extreem rekbaar, optisch transparant, en kunnen op geheel nieuwe manieren met elkaar en met conventionele elektronica worden gecombineerd. Maar deze materialen - waarin alle atomen aan de oppervlakte zitten - zijn van nature extreem gevoelig voor hun omgeving, en hun prestaties blijven vaak ver achter bij de theoretische limieten als gevolg van vervuiling en opgesloten ladingen in omringende isolatielagen. Het in BN ingekapselde grafeen dat de groep van Hone vorig jaar produceerde, heeft een 50x verbeterde elektronische mobiliteit - een belangrijke maatstaf voor elektronische prestaties - en een lagere wanorde die de studie van rijke nieuwe fenomenen bij lage temperatuur en hoge magnetische velden mogelijk maakt.

"We wilden zien wat we konden doen met MoS ₂ — het is de best bestudeerde 2D-halfgeleider, en, in tegenstelling tot grafeen, het kan een transistor vormen die volledig 'uit' kan worden geschakeld, een eigenschap die cruciaal is voor digitale circuits, " merkt Gwan-Hyoung Lee op, co-lead auteur op het papier en assistent-professor materiaalkunde bij Yonsei. Vroeger, MoS2-apparaten gemaakt op gewone isolerende substraten zoals siliciumdioxide hebben een mobiliteit getoond die onder de theoretische voorspellingen ligt, varieert van monster tot monster, en blijft laag bij afkoeling tot lage temperaturen, alle aanwijzingen voor een ongeordend materiaal. Onderzoekers weten niet of de aandoening te wijten was aan het substraat, zoals in het geval van grafeen, of door onvolkomenheden in het materiaal zelf.

In het nieuwe werk Hone's team creëerde heterostructuren, of gelaagde stapels, van MoS ₂ ingekapseld in BN, met kleine vlokken grafeen die de rand van de MoS . overlappen ₂ fungeren als elektrische contacten. Ze ontdekten dat de mobiliteit bij kamertemperatuur met ongeveer een factor 2 was verbeterd, de intrinsieke grens nadert. Bij afkoeling tot lage temperatuur, de mobiliteit is enorm toegenomen, het bereiken van waarden 5-50× die eerder gemeten (afhankelijk van het aantal atomaire lagen). Als een verder teken van een lage wanorde, deze monsters met hoge mobiliteit vertoonden ook sterke oscillaties in weerstand met magnetisch veld, die nog niet eerder in een 2D-halfgeleider waren gezien.

"Deze nieuwe apparaatstructuur stelt ons in staat om voor het eerst kwantumtransportgedrag in dit materiaal bij lage temperatuur te bestuderen, " voegde Columbia Engineering PhD-student Xu Cui toe, de eerste auteur van het artikel.

Door de weerstand bij lage temperaturen en kwantumoscillaties te analyseren, het team kon concluderen dat de belangrijkste bron van wanorde besmetting op de grensvlakken blijft, geeft aan dat verdere verbeteringen mogelijk zijn.

"Dit werk motiveert ons om onze assemblagetechnieken voor apparaten verder te verbeteren, aangezien we de intrinsieke limiet voor dit materiaal nog niet hebben bereikt, " zegt Hone. "Met verdere vooruitgang, we hopen 2D-halfgeleiders te vestigen als een nieuwe familie van elektronische materialen die wedijveren met de prestaties van conventionele heterostructuren van halfgeleiders, maar zijn gemaakt met plakband op een laboratoriumbank in plaats van dure hoogvacuümsystemen."