Van der Waals heterostructuren zijn samenstellingen van atomair dunne tweedimensionale (2-D) kristallijne materialen die aantrekkelijke geleidingseigenschappen vertonen voor gebruik in geavanceerde elektronische apparaten.

Een representatieve 2D-halfgeleider is grafeen, dat bestaat uit een honingraatrooster van koolstofatomen dat slechts één atoom dik is. De ontwikkeling van van der Waals heterostructuren is beperkt door de ingewikkelde en tijdrovende handmatige handelingen die nodig zijn om ze te produceren. Dat is, de 2D-kristallen die typisch worden verkregen door afschilfering van een bulkmateriaal, moeten handmatig worden geïdentificeerd, verzameld, en vervolgens gestapeld door een onderzoeker om een ​​van der Waals heterostructuur te vormen. Een dergelijk handmatig proces is duidelijk ongeschikt voor industriële productie van elektronische apparaten die van der Waals heterostructuren bevatten

Nutsvoorzieningen, een Japans onderzoeksteam onder leiding van het Instituut voor Industriële Wetenschappen van de Universiteit van Tokyo heeft dit probleem opgelost door een geautomatiseerde robot te ontwikkelen die de verzameling van 2D-kristallen en hun assemblage om van der Waals-heterostructuren te vormen aanzienlijk versnelt. De robot bestaat uit een geautomatiseerde high-speed optische microscoop die kristallen detecteert, waarvan de posities en parameters vervolgens worden vastgelegd in een computerdatabase. Op maat gemaakte software wordt gebruikt om heterostructuren te ontwerpen met behulp van de informatie in de database. De heterostructuur wordt vervolgens laag voor laag geassembleerd door een robotapparatuur die wordt aangestuurd door het ontworpen computeralgoritme. De bevindingen werden gerapporteerd in Natuurcommunicatie .

"De robot kan vinden, verzamelen, en monteer 2D-kristallen in een handschoenenkastje, " studie eerste auteur Satoru Masubuchi zegt. "Het kan 400 grafeenvlokken per uur detecteren, dat is veel sneller dan de snelheid die wordt bereikt door handmatige bewerkingen."

Toen de robot werd gebruikt om grafeenvlokken te assembleren tot van der Waals heterostructuren, het kan tot vier lagen per uur stapelen met slechts een paar minuten menselijke input voor elke laag. De robot werd gebruikt om een ​​heterostructuur van Van der Waals te produceren die bestaat uit 29 afwisselende lagen grafeen en hexagonaal boornitride (een andere veel voorkomende 2-D halfgeleider). Het recordlaagnummer van een van der Waals heterostructuur geproduceerd door handmatige bewerkingen is 13, dus de robot heeft ons vermogen om toegang te krijgen tot complexe van der Waals-heterostructuren aanzienlijk vergroot.

"Met onze robot kan een breed scala aan materialen worden verzameld en geassembleerd, " legt co-auteur Tomoki Machida uit. "Dit systeem biedt de mogelijkheid om de heterostructuren van Van der Waals volledig te verkennen."

De ontwikkeling van deze robot zal de productie van van der Waals-heterostructuren en hun gebruik in elektronische apparaten aanzienlijk vergemakkelijken, waardoor we een stap dichter bij het realiseren van apparaten komen die designermaterialen op atomair niveau bevatten.