Het samenvoegen van verschillende soorten materialen kan tot allerlei doorbraken leiden. Het is een essentiële vaardigheid waarmee mensen alles konden maken, van wolkenkrabbers (door beton te versterken met staal) tot zonnecellen (door materialen in lagen aan te brengen om elektronen te verzamelen).

Bij elektronica, het samenvoegen van verschillende materialen produceert heterojuncties - de meest fundamentele componenten in zonnecellen, LED's en computerchips. Hoe gladder de naad tussen twee materialen, hoe gemakkelijker elektronen eroverheen stromen, wat essentieel is voor hoe goed elektronische apparaten werken. Maar ze zijn gemaakt van kristallen - stijve roosters van atomen - en ze houden er niet van om samen te worden gepureerd.

In een studie gepubliceerd op 8 maart in Wetenschap , Wetenschappers van Cornell University en University of Chicago hebben een techniek onthuld om twee stukjes kristallen naadloos aan elkaar te "naaien" om atomair dunne stoffen te creëren.

Het team wilde dit doen door verschillende stofachtige, drie-atoom-dikke kristallen. "Gewoonlijk worden deze in fasen onder zeer verschillende omstandigheden gekweekt; kweek eerst één materiaal, stop de groei, de toestand wijzigen, en begin het opnieuw om een ​​ander materiaal te laten groeien, " zei Jiwoong Park, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Chicago, en een senior auteur over de studie.

De resulterende enkellaagse materialen zijn de meest perfect uitgelijnde ooit gekweekt, volgens de onderzoekers. De zachtere overgang betekent dat op de punten waar de twee roosters samenkomen, het ene rooster strekt zich uit of groeit om het andere te ontmoeten - in plaats van gaten of andere defecten achter te laten.

"Als je de materialen ziet als twee verschillende soorten stof, met twee verschillende draadtellingen, waarbij elke rij atomen een draad voorstelt, dan proberen we ze draad aan draad te verbinden zonder losse draden, " zei David A. Muller, Cornell hoogleraar toegepaste en technische fysica en co-directeur van het Kavli Institute bij Cornell voor Nanoscale Science, en een senior auteur over de studie. "Het gebruik van een nieuw type elektronendetector - in feite een supersnelle, supergevoelige camera - we waren in staat om de rek van de materialen te meten van waar het op atomaire schaal samenkwam tot hoe het hele vel in elkaar paste, en doe dat met een precisie die beter is dan een derde van een procent van de afstand tussen atomen."

De atoomnaden zijn zo strak, de microscoop onthulde dat de grootste van de twee materialen een beetje rond het gewricht plooide.

"De vorming van rimpelingen in deze gespannen 2D-materialen bood ons een vruchtbare grond om te onderzoeken hoe macroscopische modellen voor de elastische energie kunnen worden gecombineerd met microscopische theorieën voor de sterke onderliggende van der Waals-interacties, " zei Robert A. DiStasio Jr., assistent-professor in Cornell's Department of Chemistry and Chemical Biology in het College of Arts and Sciences, en een van de senior auteurs van het papier.

Ze besloten de prestaties te testen in een van de meest gebruikte elektronische apparaten:een diode. Twee soorten materiaal worden samengevoegd, en elektronen worden verondersteld in staat te zijn om één kant op te stromen door de "stof, "maar niet de andere.

De diode lichtte op. "Het was opwindend om deze drie-atoom dikke LED's te zien gloeien. We zagen uitstekende prestaties - het best bekend voor dit soort materialen, " zei Saien Xie, een afgestudeerde Cornell-student in engineering en eerste auteur op het papier.

De ontdekking opent enkele interessante ideeën voor elektronica. Apparaten zoals LED's worden momenteel in lagen gestapeld - 3D versus 2D - en bevinden zich meestal op een stijf oppervlak. Maar de nieuwe techniek zou nieuwe configuraties mogelijk maken, zoals flexibele LED's of atomendikke 2D-circuits die horizontaal en lateraal werken.

Park merkte op dat het uitrekken en comprimeren de kleur van de kristallen veranderde vanwege de kwantummechanische effecten. Dit suggereert potentieel voor lichtsensoren en LED's die kunnen worden afgestemd op verschillende kleuren, bijvoorbeeld, of rekgevoelige stoffen die van kleur veranderen als ze worden uitgerekt.

"Dit is zo onbekend dat we nog niet eens alle mogelijkheden kennen, "Zei Park. "Zelfs twee jaar geleden zou het ondenkbaar zijn geweest."