Een nieuw begrip van waarom synthetische 2D-materialen vaak orden van grootte slechter presteren dan voorspeld, werd bereikt door teams van onderzoekers onder leiding van Penn State. Ze zochten naar manieren om de prestaties van deze materialen in toekomstige elektronica te verbeteren, fotonica, en geheugenopslagtoepassingen.

Tweedimensionale materialen zijn films van slechts een atoom of twee dik. Onderzoekers maken 2D-materialen door de exfoliatiemethode - een stuk materiaal van een groter bulkmateriaal afpellen - of door een gasprecursor op een substraat te condenseren. De eerste methode biedt materialen van hogere kwaliteit, maar is niet handig voor het maken van apparaten. De tweede methode is goed ingeburgerd in industriële toepassingen, maar levert 2D-films met lage prestaties op.

De onderzoekers toonden aan, Voor de eerste keer, waarom de kwaliteit van 2D-materialen die zijn gekweekt door de chemische dampafzettingsmethode slechte prestaties levert in vergelijking met hun theoretische voorspellingen. Ze rapporteren hun resultaten in een recent nummer van Wetenschappelijke rapporten .

"We kweekten molybdeendisulfide, een veelbelovend 2D-materiaal, op een saffiersubstraat, " zei Kehao Zhang, een promovendus van Joshua Robinson, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, Penn State. "Saffier zelf is aluminiumoxide. Wanneer het aluminium de toplaag van het substraat is, het geeft graag zijn elektronen af ​​aan de film. Deze zware negatieve dotering - elektronen hebben een negatieve lading - beperkt zowel de intensiteit als de levensduur van de drager voor fotoluminescentie, twee belangrijke eigenschappen voor alle opto-elektronische toepassingen, zoals fotovoltaïsche en fotosensoren."

Toen ze eenmaal hadden vastgesteld dat het aluminium elektronen afstond aan de film, ze gebruikten een saffiersubstraat dat op zo'n manier was gesneden dat de zuurstof bloot kwam te liggen in plaats van het aluminium op het oppervlak. Dit verbeterde de fotoluminescentie-intensiteit en de levensduur van de drager met 100 keer.

In verwant werk, een tweede team van onderzoekers onder leiding van dezelfde Penn State-groep gebruikte dopingtechniek die vreemde atomen in het kristalrooster van de film vervangt om de eigenschappen van het materiaal te veranderen of te verbeteren. Ze meldden hun werk deze week in Geavanceerde functionele materialen .

"Mensen hebben eerder substitutiedoping geprobeerd, maar omdat de interactie van het saffiersubstraat de effecten van de doping screende, ze konden de impact van de doping niet ongedaan maken, " zei Zhang, die ook de hoofdauteur van het tweede artikel was.

Gebruikmakend van het zuurstof-beëindigde substraatoppervlak van het eerste papier, het team verwijderde het afschermende effect van het substraat en doopte de molybdeendisulfide 2-D-film met rheniumatomen.

"We hebben de rhenium-dopingeffecten op het materiaal ongedaan gemaakt, " zei Zhang. "Met dit substraat kunnen we oplopen tot 1 atoomprocent, de hoogste dopingconcentratie ooit gerapporteerd. Een onverwacht voordeel is dat doping van het rhenium in het rooster 25 procent van de zwavelvacatures passiveert, en zwavelvacatures zijn een al lang bestaand probleem met 2D-materialen."

De doping lost twee problemen op:het maakt het materiaal beter geleidend voor toepassingen zoals transistors en sensoren, en verbetert tegelijkertijd de kwaliteit van de materialen door de defecten die zwavelvacatures worden genoemd, te passiveren. Het team voorspelt dat een hogere reniumdoping de effecten van zwavelvacatures volledig zou kunnen elimineren.

"Het doel van mijn hele werk is om dit materiaal naar een technologisch relevant niveau te tillen, wat betekent dat het industrieel toepasbaar moet worden gemaakt, ' zei Zhang.