Wetenschappers van de National University of Singapore hebben een uniek groeimechanisme ontdekt om atomair dunne halfgeleiderlinten te produceren die kunnen dienen als bouwsteen voor hoogwaardige nano-elektronische apparaten.

Synthese van ultradunne halfgeleiders, zoals monolaag molybdeendisulfide en verwante verbindingen, heeft de afgelopen jaren enorme belangstelling gewekt voor hun potentiële gebruik bij het verbeteren van de prestaties van nano-elektronische apparaten. Het vermogen om deze opkomende klasse van materialen te synthetiseren met een gewenste geometrie zou een belangrijke rol spelen bij het vergemakkelijken van hun productieproces en implementatie in geïntegreerde schakelingen met hoge dichtheid.

Een team onder leiding van prof. Goki EDA van de departementen Fysica en Scheikunde en het Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM) bij NUS heeft een manier ontdekt om nano- en micro-lintstructuren van molybdeendisulfide te laten groeien die slechts drie atomen dik zijn en gemiddeld honderden nanometers breed. De methode omvat de reactie van zwaveldamp met een mengsel van molybdeentrioxide en natriumchloridezout bij ~700oC op een schoon kristaloppervlak. De onderzoekers ontdekten dat het zout reageert met molybdeentrioxide om een ​​tertiaire verbinding op te leveren die natrium bevat, molybdeen en zuurstof in verschillende atoomverhoudingen. Deze verbinding smelt vervolgens en vormt kleine druppeltjes bij de groeitemperatuur (~700 graden C). De microscopisch kleine druppeltjes van deze verbinding reageren vervolgens met zwavel om ultradun lintvormig molybdeendisulfide te vormen. Deze structuur is opvallend anders dan het typische product van een zoutvrije teelt, die driehoekig en zeshoekig van vorm is.

"De groei van bestelde linten was een grote verrassing omdat het standaard groeimodel dergelijke structuren niet voorspelt, maar we realiseerden ons dat het het resultaat was van een duidelijk groeimechanisme, " zei Dr. LI, die een research fellow was in de groep van prof. Eda, maar nu bij het National Institute of Materials Science in Japan is. Het algemeen aanvaarde groeimechanisme is gebaseerd op de inherente dynamiek van de voorlopers om zich op het substraatoppervlak te verspreiden en zichzelf te organiseren. Dr. Li heeft toegevoegd, "Dit mechanisme kon onze waarnemingen niet verklaren."

De onderzoekers leggen uit dat het waargenomen fenomeen een vorm is van de bekende damp-vloeistof-vaste stof (VLS) groei waarbij de voorlopers van de dampfase condenseren tot een vloeibaar tussenproduct voordat het vaste product wordt gevormd. De morfologie van de smalle linten die in deze studie werden verkregen, was, echter, in tegenstelling tot wat normaal wordt verwacht van een VLS-groei, wat typisch cilindrische of buisvormige structuren oplevert. Hun waarneming geeft aan dat de vloeistofdruppel op een geordende manier op het substraatoppervlak beweegt, een spoor van ultradunne kristallen achterlatend. Het proces is vergelijkbaar met "schilderen met een inktdruppel".

De met deze methode gesynthetiseerde halfgeleidende linten vertoonden een hoge kristalkwaliteit. De onderzoekers toonden aan dat krachtige microscopische transistoren (met een veldeffectmobiliteit van ~30 cm ² /Vs en aan-uit-verhouding van ~106) kunnen worden vervaardigd uit de afzonderlijke linten. Omdat het gesynthetiseerde materiaal al de vorm heeft die geschikt is voor het apparaat, deze nieuwe groeimethode maakt eenvoudige fabricage van apparaten mogelijk zonder dat een extra patroonstap nodig is, wat normaal vereist is wanneer andere synthesemethoden worden gebruikt.

Prof Eda zei, "Ons werk roept veel interessante vragen op over oppervlakte- en grensvlakgroei van nanomaterialen. We geloven dat veel andere materialen kunnen worden gekweekt met een vergelijkbare aanpak. Het doel op korte termijn is om het groeimechanisme beter te begrijpen en de morfologie van de linten te beheersen. "

Prof Eda voorziet dat het vermogen om complexe halfgeleidende structuren direct te laten groeien de realisatie van hoogwaardige nano-elektronische apparaten enorm zal vergemakkelijken.