Na zes jaar hard werken, een groep materiaalwetenschappers van de Universiteit van Wisconsin-Madison gelooft dat de kleine vellen van het halfgeleiderzinkoxide dat ze kweken enorme implicaties kunnen hebben voor de toekomst van een groot aantal elektronische en biomedische apparaten.

De groep, geleid door Xudong Wang, een UW-Madison hoogleraar materiaalkunde en techniek, en postdoctoraal onderzoeker Fei Wang, heeft een techniek ontwikkeld voor het maken van bijna tweedimensionale lagen van verbindingen die van nature niet zulke dunne materialen vormen. Het is de eerste keer dat een dergelijke techniek succesvol is.

De onderzoekers beschreven hun bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 20 januari.

In wezen het microscopische equivalent van een enkel vel papier, een 2D nanosheet is een materiaal van slechts enkele atomen dik. Nanomaterialen hebben unieke elektronische en chemische eigenschappen vergeleken met identiek samengestelde materialen bij grotere, conventionele weegschalen.

"Wat leuk is aan een 2D-nanomateriaal, is dat omdat het een plaat is, het is veel gemakkelijker voor ons om te manipuleren in vergelijking met andere soorten nanomaterialen, " zegt Xudong Wang.

Tot nu, materiaalwetenschappers waren beperkt tot het werken met natuurlijk voorkomende 2D nanosheets. Deze natuurlijke 2D-structuren omvatten grafeen, een enkele laag grafiet, en een beperkt aantal andere verbindingen.

Het ontwikkelen van een betrouwbare methode om 2-D nanosheets van andere materialen te synthetiseren en te vervaardigen is al jaren een doel van materiaalonderzoekers en de nanotechnologie-industrie.

In hun techniek, het UW-Madison-team bracht een speciaal geformuleerde oppervlakteactieve stof - een wasmiddelachtige substantie - aan op het oppervlak van een vloeistof die zinkionen bevat.

Door zijn chemische eigenschappen, de oppervlakteactieve stof assembleert zichzelf tot een enkele laag aan het oppervlak van de vloeistof, met negatief geladen sulfaationen in de richting van de vloeistof gericht. Die sulfaationen trekken de positief geladen zinkionen vanuit de vloeistof naar het oppervlak, en binnen een paar uur worden genoeg zinkionen opgezogen om continue zinkoxide nanosheets te vormen van slechts enkele atoomlagen dik.

Xudong Wang kwam voor het eerst op het idee om een ​​oppervlakteactieve stof te gebruiken om nanosheets te laten groeien tijdens een lezing die hij gaf in een cursus over nanotechnologie in 2009.

"De cursus omvat een lezing over zelfassemblage van monolagen, "zegt hij. "Onder de juiste omstandigheden, een oppervlakteactieve stof zal zichzelf assembleren om een ​​monolaag te vormen. Dit is een bekend proces dat ik in de klas leer. Dus terwijl je dit leert, Ik vroeg me af waarom we deze methode niet zouden kunnen omkeren en de monolaag van oppervlakteactieve stoffen eerst zouden gebruiken om het kristallijne gezicht te laten groeien."

Na vijf jaar vallen en opstaan ​​met verschillende oppervlakteactieve oplossingen, het idee wierp zijn vruchten af.

“We zijn hier erg enthousiast over, ", zegt Xudong Wang. "Dit is absoluut een nieuwe manier om 2-D nanosheets te fabriceren, en het heeft een groot potentieel voor verschillende materialen en voor veel verschillende toepassingen."

Nu al, de onderzoekers hebben ontdekt dat de 2-D zinkoxide nanosheets die ze hebben gekweekt kunnen functioneren als halfgeleidertransistors, een p-type genaamd, het tegenovergestelde elektronische gedrag van natuurlijk voorkomend zinkoxide. Onderzoekers hebben geruime tijd geprobeerd zinkoxide te produceren met betrouwbare p-type halfgeleidereigenschappen.

Zinkoxide is een zeer nuttige component van elektronische materialen, en de nieuwe nanosheets hebben potentieel voor gebruik in sensoren, transducers en optische apparaten.

Maar de zinkoxide-nanobladen zijn slechts de eerste van wat een revolutie zou kunnen zijn in 2D-nanomaterialen. Nu al, het UW-Madison-team past zijn oppervlakteactieve methode toe op het kweken van 2D-nanobladen van goud en palladium, en de techniek is veelbelovend voor het kweken van nanosheets van allerlei soorten metalen die ze op natuurlijke wijze niet zouden vormen.

"Het brengt veel nieuw functioneel materiaal naar deze 2D-materiaalcategorie, "zegt Wang.