Onderzoekers van UConn's Institute of Materials Science hebben de prestaties van een atomair dun halfgeleidermateriaal aanzienlijk verbeterd door het uit te rekken, een prestatie die nuttig zou kunnen zijn voor ingenieurs die de volgende generatie flexibele elektronica ontwerpen, nano-apparaten, en optische sensoren.

In een studie die in het onderzoekstijdschrift verschijnt Nano-letters , Michaël Petten, universitair docent werktuigbouwkunde, meldt dat een zes-atoom dikke dubbellaag van wolfraamdiselenide een 100-voudige toename in fotoluminescentie vertoonde wanneer het werd onderworpen aan spanning. Het materiaal had nog nooit zo'n fotoluminescentie vertoond.

De bevindingen markeren de eerste keer dat wetenschappers overtuigend hebben kunnen aantonen dat de eigenschappen van atomair dunne materialen mechanisch kunnen worden gemanipuleerd om hun prestaties te verbeteren, zegt Piet. Dergelijke mogelijkheden kunnen leiden tot snellere computerprocessors en efficiëntere sensoren.

Het proces dat de onderzoekers hebben gebruikt om het resultaat te bereiken, is ook belangrijk omdat het een betrouwbare nieuwe methode biedt voor het meten van de impact van spanning op ultradunne materialen, iets dat moeilijk was om te doen en een belemmering voor innovatie.

"Experimenten met spanning worden vaak bekritiseerd omdat de spanning die wordt ervaren door deze atomair dunne materialen moeilijk te bepalen is en vaak wordt gespeculeerd als onjuist, " zegt Pettes. "Onze studie biedt een nieuwe methodologie voor het uitvoeren van spanningsafhankelijke metingen van ultradunne materialen, en dit is belangrijk omdat wordt voorspeld dat spanning ordes van grootte veranderingen in de eigenschappen van deze materialen op veel verschillende wetenschappelijke gebieden zal bieden."

Wetenschappers zijn geïntrigeerd door het potentieel van atomair dunne materialen sinds onderzoekers Andre Geim en Konstantin Novoselov in 2004 met succes een één-atoom dikke laag grafeen van een stuk grafiet klieven. Beschouwd als een supermateriaal vanwege zijn uitstekende sterkte, flexibiliteit, en vermogen om elektriciteit te geleiden, tweedimensionaal grafeen transformeerde de elektronica-industrie en leverde de onderzoekers een Nobelprijs op.

Maar voor alles wat het biedt, grafeen heeft zijn beperkingen. Het is een slechte halfgeleider omdat het een elektronenbandgat in zijn interne structuur mist. Als resultaat, elektronen zijn ongehinderd en stromen er snel doorheen wanneer het materiaal wordt geactiveerd. De beste halfgeleidermaterialen, zoals silicium, hebben een aanzienlijke bandgap waardoor een stroom van elektronen kan worden in- en uitgeschakeld. Die mogelijkheid is van vitaal belang voor het creëren van de reeksen nullen en enen die de binaire computercodes vormen die worden gebruikt in transistors en geïntegreerde schakelingen.

Materiaalwetenschappers onderzoeken het potentieel van andere tweedimensionale en atomair dunne materialen in de hoop producten te vinden die superieur zijn aan grafeen en silicium.

Strain engineering is besproken als een mogelijke manier om de prestaties van deze materialen te verbeteren, omdat ze door hun ultradunne structuur bijzonder vatbaar zijn voor buigen en strekken, in tegenstelling tot hun grotere driedimensionale bulkvormen. Maar het testen van de impact van spanning op materialen van slechts een paar atomen dik is enorm moeilijk gebleken.

In de huidige studie, Pettes en Wei Wu, een doctoraat student in het laboratorium van Pettes en de hoofdauteur van de studie, waren in staat om met succes de invloed van spanning op een enkele kristallijne dubbellaag van wolfraamdiselenide te meten door het eerst in te kapselen in een fijne laag acrylglas en het vervolgens te verwarmen in een argongaskamer. (Blootstelling aan lucht zou het monster vernietigen). Deze thermische verwerking versterkte de hechting van het materiaal aan een polymeersubstraat, waardoor een bijna perfecte overdracht van de uitgeoefende spanning mogelijk is, wat in eerdere experimenten moeilijk te bereiken was.

De groep paste vervolgens een buigapparaat aan waarmee ze de belasting van het materiaal voorzichtig konden verhogen terwijl ze bewaakten hoe het reageerde via een Horiba Multiline Raman-spectrometer in het Harvard Center for Nanoscale Systems, een gedeelde gebruikersfaciliteit gefinancierd door de National Science Foundation.

Het was een spannend moment.

"Onze nieuwe methode stelde ons in staat om ongeveer twee keer meer spanning op het 2D-materiaal uit te oefenen dan enig eerder onderzoek heeft gerapporteerd, " zegt Pettes. "In wezen, we waren op nieuw terrein."

uiteindelijk, de onderzoekers ontdekten dat het toepassen van toenemende spanning op het materiaal de stroom van elektronen veranderde, die werd weerspiegeld door de verhoogde intensiteit in fotoluminescentie.

In samenwerking met computermodelleringsexpert Avinash Dongare, een assistent-professor materiaalkunde en engineering aan de UConn, en voormalig Ph.D. student Jin Wang, het team kon laten zien dat hun proces kon, theoretisch, manipuleren van de band gap van wolfraamdiselenide en andere atomair dunne materialen, wat uiterst belangrijk is voor ontwerpingenieurs die op zoek zijn naar snellere en efficiëntere halfgeleiders en sensoren. Het manipuleren van een halfgeleider met een indirecte bandgap vlakbij het punt van overgang naar een directe bandgap zou kunnen leiden tot extreem snelle verwerkingscapaciteiten.

"Dit is de eerste keer dat extrinsieke controle over een indirecte-naar-directe overgang van de elektronenbandkloof overtuigend is gerapporteerd, " zegt Pettes. "Onze bevindingen zouden computationele wetenschappers die kunstmatige intelligentie gebruiken in staat moeten stellen om nieuwe materialen te ontwerpen met extreem spanningsbestendige of spanningsgevoelige structuren. Dat is uitermate belangrijk voor de volgende generatie hoogwaardige flexibele nano-elektronica en opto-elektronische apparaten."