De mogelijkheden voor het nieuwe veld van tweedimensionale, een-atomige laag-dikke materialen, inclusief maar niet beperkt tot grafeen, lijken bijna onbegrensd. Bij nieuw onderzoek Materiaalwetenschappers van Penn State rapporteren twee ontdekkingen die een eenvoudige en effectieve manier zullen bieden om hoogwaardige 2D-materialen op precieze locaties te "stencilen" en een barrière te overwinnen voor het gebruik ervan in elektronica van de volgende generatie.

In 2004, de ontdekking van een manier om een ​​enkele atomaire laag koolstof - grafeen - te isoleren, opende een nieuwe wereld van 2D-materialen met eigenschappen die niet noodzakelijkerwijs te vinden zijn in de bekende 3D-wereld. Onder deze materialen bevindt zich een grote groep elementen - overgangsmetalen - die in het midden van het periodiek systeem vallen. Wanneer atomen van bepaalde overgangsmetalen, bijvoorbeeld molybdeen, zijn gelaagd tussen twee lagen atomen van de chalcogenide-elementen, zoals zwavel of selenium, het resultaat is een sandwich met drie lagen die een overgangsmetaaldichalcogenide wordt genoemd. TMD's hebben een enorme belangstelling gewekt bij materiaalwetenschappers vanwege hun potentieel voor nieuwe soorten elektronica, opto-elektronica en rekenen.

"Waar we ons in dit artikel op hebben gericht, is het vermogen om deze materialen over grote delen van een substraat te maken op precies de plaatsen waar we ze willen hebben, " zegt Joshua Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. "Deze materialen zijn van belang voor een verscheidenheid aan elektronica van de volgende generatie, niet noodzakelijk om silicium te vervangen, maar om de huidige technologieën uit te breiden en uiteindelijk nieuwe chipfunctionaliteit naar silicium te brengen die we nooit eerder hadden."

Om TMD's met silicium in transistors te integreren, chipbedrijven zullen een methode moeten hebben om de atomen precies daar te plaatsen waar ze nodig zijn. Die methode was er tot nu toe niet. In hun 2D Materials paper, "Selectieve gebiedsgroei en gecontroleerde substraatkoppeling van overgangsmetaaldichalcogeniden, Robinson en zijn groep demonstreren, Voor de eerste keer, een eenvoudige methode om precieze patronen van tweedimensionale materialen te maken met behulp van technieken die bekend zijn bij elk nanotechnologielab.

"Het blijkt dat het proces rechttoe rechtaan is, Robinson legt uit. "We draaien fotoresist op het monster in de cleanroom, alsof we een apparaat gaan maken. Het kan elk van een aantal polymeren zijn die worden gebruikt in nanofabricage. Vervolgens stellen we het bloot aan ultraviolet licht in de gewenste gebieden, en we ontwikkelen het als een foto. Waar het polymeer werd blootgesteld aan licht, het spoelt weg, en vervolgens reinigen we het oppervlak verder met standaard plasma-etsprocessen. De 2D-materialen zullen alleen groeien in de gebieden die zijn schoongemaakt."

Een tweede eenvoudige ontdekking die in dit werk wordt beschreven en die het veld van TMD-onderzoek zou kunnen helpen vooruitgaan, betreft het overwinnen van het sterke effect dat een substraat heeft op de 2D-materialen die bovenop het substraat zijn gegroeid. In dit geval, molybdeendisulfide, een zeer bestudeerde halfgeleider TMD, werd gekweekt op een saffiersubstraat met behulp van typische op poeder gebaseerde depositietechnieken. Dit resulteerde in de eigenschappen van het saffier/molybdeendisulfide-grensvlak die de gewenste eigenschappen van het molybdeendisulfide regelen, waardoor het ongeschikt is voor de fabricage van apparaten.

"We moesten de effecten van het substraat op de 2D-laag loskoppelen zonder de lagen van de saffier over te brengen, " zegt Robinson, "en dus probeerden we eenvoudig het als gegroeide materiaal in vloeibare stikstof te dompelen en het in de lucht te trekken om het grensvlak te 'kraken'. Het bleek dat dit voldoende was om het molybdeendisulfide van de saffier te scheiden en dichter bij de intrinsieke prestatie van het molybdeendisulfide."

Het proces is zacht genoeg om de bindingen die het 2D-materiaal met het substraat verbinden te verzwakken zonder het volledig vrij te maken. Het exacte mechanisme voor het losmaken van de obligaties wordt nog onderzocht, vanwege de complexiteit van dit "eenvoudige proces, " zei Robinson. De twee materialen krimpen met verschillende snelheden, waardoor ze uit elkaar zouden kunnen vallen, maar het kan ook te wijten zijn aan het borrelen van de vloeibare stikstof terwijl het in gas verandert, of zelfs contact met waterdamp in de lucht die ijs vormt op het monster.

"We werken nog steeds aan het begrijpen van het exacte mechanisme, maar we weten dat het heel goed werkt, tenminste met molybdeendisulfide, ' zegt Robinson.