Sinds de ontdekking van de opmerkelijke eigenschappen van grafeen, wetenschappers hebben hun onderzoek steeds meer gericht op de vele andere tweedimensionale materialen die mogelijk zijn, zowel die gevonden in de natuur als verzonnen in het laboratorium. Echter, groeiende hoge kwaliteit, kristallijne 2D-materialen op schaal is een grote uitdaging gebleken.

Een paar artikelen die deze maand online zijn gepubliceerd in twee nanotechnologie-tijdschriften, vormen de basis voor het kweken van tweedimensionale kristallen op wafelschaal voor toekomstige elektronische apparaten. In het werk onder leiding van Joan Redwing, directeur van het door NSF gesponsorde Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform, en hoogleraar materiaalkunde en techniek en elektrotechniek, Penn staat, onderzoekers ontwikkelden een meerstapsproces om eenkristal atomair dunne films van wolfraamdiselenide te maken over saffiersubstraten met een groot oppervlak.

"Tot nu toe, de meeste 2D-apparaten zijn vervaardigd met behulp van kleine vlokken die zijn geëxfolieerd van bulkkristallen, " zei Redwing. "Om een ​​apparaatklare technologie te ontwikkelen, je moet apparaten kunnen maken op grote ondergronden en ze moeten een goede kristalkwaliteit hebben."

Het proces gebruikt saffier als substraat vanwege de kristallijne structuur. Deze structuur oriënteert de filmgroei in een kristalpatroon in een proces dat epitaxie wordt genoemd. Omdat er kleine eilanden van het materiaal op het substraat worden gevormd en het substraat wordt verwarmd, de eilanden verspreiden zich over het substraat in een uniform patroon en vormen een film met een groot oppervlak zonder openingen en met zeer weinig defecten. De belangrijkste vooruitgang was het gebruik van chemische dampafzetting uit een gasbron om de eilanddichtheid en verspreidingssnelheid nauwkeurig te regelen om een ​​enkele laag van het 2D-materiaal te verkrijgen.

Ze publiceerden hun werk, "Diffusie-gecontroleerde epitaxie van samengesmolten WSe2-monolagen met groot oppervlak op saffier, " in het journaal Nano-letters .

In een verwante krant, "Het realiseren van grootschalige, Tweedimensionale halfgeleiders van elektronische kwaliteit, " online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , een team onder leiding van Joshua Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, Penn staat, biedt het fundamentele begrip om apparaatklare synthetische 2D-halfgeleiders mogelijk te maken op basis van deze epitaxiale films met een groot oppervlak in toekomstige elektronica op industriële schaal.

"De belangrijkste betekenis van dit werk is dat we inzicht hebben gekregen in de extrinsieke factoren die nodig zijn om een ​​hoogwaardig 2D-materiaal te hebben, Robinson zei. "Wat we ontdekten was dat zelfs als je georiënteerde kristallen op een oppervlak laat groeien, er zijn nog andere factoren die van invloed zijn op het vermogen om een ​​hoge elektronenmobiliteit of snelle transistors te krijgen."

Vooral, ze ontdekten dat er een sterke interactie is tussen het saffiersubstraat en de monolaagfilm, waarbij het substraat de eigenschappen domineert. Om deze uitdagingen te overwinnen, de onderzoekers groeiden twee of drie lagen, die de prestaties met factoren van 20-100 keer verbeterden.

"Dit is het eerste echte bewijs van het effect van het substraat op de transporteigenschappen van 2D-lagen, ' zei Robinson.