Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers en ingenieurs van de UCLA heeft een methode ontwikkeld om nieuwe soorten kunstmatige "superroosters" te maken - materialen bestaande uit afwisselende lagen ultradunne "tweedimensionale" platen, die slechts één of enkele atomen dik zijn. In tegenstelling tot de huidige ultramoderne superroosters, waarin afwisselende lagen vergelijkbare atomaire structuren hebben, en dus vergelijkbare elektronische eigenschappen, deze afwisselende lagen kunnen radicaal verschillende structuren hebben, eigenschappen en functies, iets dat voorheen niet beschikbaar was.

Bijvoorbeeld, terwijl één laag van dit nieuwe soort superrooster een snelle stroom van elektronen er doorheen kan laten, het andere type laag kan als isolator werken. Dit ontwerp beperkt de elektronische en optische eigenschappen tot enkele actieve lagen, en voorkomt dat ze interfereren met andere isolerende lagen.

Dergelijke superroosters kunnen de basis vormen voor verbeterde en nieuwe klassen van elektronische en opto-elektronische apparaten. Toepassingen zijn onder meer supersnelle en ultra-efficiënte halfgeleiders voor transistors in computers en slimme apparaten, en geavanceerde LED's en lasers.

Vergeleken met de conventionele laag-voor-laag assemblage of groeibenadering die momenteel wordt gebruikt om 2D-superroosters te maken, het nieuwe, door de UCLA geleide proces om superroosters te maken van 2D-materialen is veel sneller en efficiënter. Het belangrijkste is, de nieuwe methode levert gemakkelijk superroosters op met tientallen, honderden of zelfs duizenden afwisselende lagen, wat met andere benaderingen nog niet mogelijk is.

Deze nieuwe klasse van superroosters wisselt 2D-atomaire kristalplaten af ​​die zijn verdeeld met moleculen van verschillende vormen en maten. In werkelijkheid, deze moleculaire laag wordt het tweede "vel" omdat het op zijn plaats wordt gehouden door "van der Waals"-krachten, zwakke elektrostatische krachten om anders neutrale moleculen aan elkaar "bevestigd" te houden. Deze nieuwe superroosters worden "monolaag-atomaire kristal-moleculaire superroosters" genoemd.

De studie, gepubliceerd in Natuur , werd geleid door Xiangfeng Duan, UCLA hoogleraar scheikunde en biochemie, en Yu Huang, UCLA hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de UCLA Samueli School of Engineering.

"Traditionele superroosters van halfgeleiders kunnen meestal alleen worden gemaakt van materialen met een sterk vergelijkbare roostersymmetrie, normaal gesproken met vrij gelijkaardige elektronische structuren, " zei Huang. "Voor de eerste keer, we hebben stabiele superroosterstructuren gecreëerd met radicaal verschillende lagen, maar bijna perfecte atomaire-moleculaire arrangementen binnen elke laag. Deze nieuwe klasse van superroosterstructuren heeft op maat gemaakte elektronische eigenschappen voor potentiële technologische toepassingen en verdere wetenschappelijke studies."

Een huidige methode om een ​​superrooster te bouwen is om de ultradunne lagen handmatig op elkaar te stapelen. Maar dit is arbeidsintensief. In aanvulling, omdat de vlokachtige vellen kwetsbaar zijn, het duurt lang om te bouwen omdat veel vellen tijdens het plaatsingsproces zullen breken. De andere methode is om de ene nieuwe laag op de andere te laten groeien, met behulp van een proces dat 'chemische dampafzetting' wordt genoemd. Maar aangezien dat andere voorwaarden betekent, zoals warmte, druk of chemische omgevingen, nodig zijn om elke laag te laten groeien, het proces kan resulteren in het veranderen of breken van de onderliggende laag. Deze methode is ook arbeidsintensief met lage opbrengstpercentages.

De nieuwe methode om monolaagse moleculaire superroosters met atomaire kristallen te creëren, maakt gebruik van een proces dat "elektrochemische intercalatie, " waarin een negatieve spanning wordt aangelegd. Deze injecteert negatief geladen elektronen in het 2D-materiaal. dit trekt positief geladen ammoniummoleculen aan in de ruimten tussen de atomaire lagen. Die ammoniummoleculen assembleren automatisch tot nieuwe lagen in de geordende kristalstructuur, het creëren van een superrooster.

"Denk aan een tweedimensionaal materiaal als een stapel speelkaarten, "Zei Duan. "Stel je dan voor dat we een grote stapel plastic kralen in de buurt kunnen laten inbrengen, perfect in orde, tussen elke kaart gesandwiched. Dat is het analoge idee, maar met een kristal van 2D-materiaal en ammoniummoleculen."

De onderzoekers demonstreerden eerst de nieuwe techniek met zwarte fosfor als basis 2D-atoomkristalmateriaal. Met behulp van de negatieve spanning, positief geladen ammoniumionen werden aangetrokken in het basismateriaal, en plaatsten zichzelf tussen de gelaagde atomaire fosforplaten."

Na dat succes, het team heeft verschillende soorten ammoniummoleculen met verschillende afmetingen en symmetrieën in een reeks 2D-materialen ingebracht om een ​​brede klasse van superroosters te creëren. Ze ontdekten dat ze de structuren van de resulterende monolaag-moleculaire superroosters van atomaire kristallen konden aanpassen, die een breed scala aan wenselijke elektronische en optische eigenschappen had. "De resulterende materialen kunnen nuttig zijn voor het maken van snellere transistors die minder stroom verbruiken, of voor het maken van efficiënte lichtgevende apparaten, ' zei Duan.