Sinds de ontdekking in 2003 van het koolstofmateriaal van één atoom dat bekend staat als grafeen, er is ook grote belangstelling voor andere soorten 2D-materialen.

Deze materialen kunnen als legoblokjes op elkaar worden gestapeld om een ​​reeks apparaten met verschillende functies te vormen, inclusief opereren als halfgeleiders. Op deze manier, ze kunnen worden gebruikt om ultradunne, flexibel, transparante en draagbare elektronische apparaten.

Echter, het scheiden van een bulkkristalmateriaal in 2D-vlokken voor gebruik in elektronica is op commerciële schaal moeilijk gebleken.

Het bestaande proces, waarbij afzonderlijke vlokken van de bulkkristallen worden afgesplitst door de kristallen herhaaldelijk op plakband te stempelen, is onbetrouwbaar en tijdrovend, veel uren nodig hebben om genoeg materiaal te oogsten en een apparaat te vormen.

Nu hebben onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van MIT een techniek ontwikkeld om binnen een paar minuten 2-inch wafels van 2D-materiaal te oogsten. Ze kunnen dan binnen een uur op elkaar worden gestapeld om een ​​elektronisch apparaat te vormen.

De techniek, die ze beschrijven in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , zou de mogelijkheid kunnen openen om elektronische apparaten op de markt te brengen op basis van een verscheidenheid aan 2D-materialen, volgens Jeehwan Kim, een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde, die het onderzoek leidde.

De co-eerste auteurs van het papier waren Sanghoon Bae, die betrokken was bij de fabricage van flexibele apparaten, en Jaewoo Shim, die werkte aan het stapelen van de monolagen van 2D-materiaal. Beiden zijn postdoc in de groep van Kim.

De co-auteurs van de paper waren ook studenten en postdocs uit de groep van Kim, evenals medewerkers bij Georgia Tech, de Universiteit van Texas, Yonsei-universiteit in Zuid-Korea, en de Universiteit van Virginia. Sang Hoon Bae, Jaewoo Shim, Wei Kong, en Doyoon Lee in de onderzoeksgroep van Kim droegen eveneens bij aan dit werk.

"We hebben aangetoond dat we monolaag-voor-monolaag isolatie van 2D-materialen op waferschaal kunnen doen, ' zegt Kim. 'Ten tweede, we hebben een manier aangetoond om deze monolagen van 2D-materiaal op wafelschaal gemakkelijk op elkaar te stapelen."

De onderzoekers groeiden eerst een dikke stapel 2D-materiaal op een saffierwafel. Vervolgens brachten ze een 600 nanometer dikke nikkelfilm aan op de bovenkant van de stapel.

Omdat 2D-materialen veel sterker hechten aan nikkel dan aan saffier, Door deze film op te tillen, konden de onderzoekers de hele stapel van de wafel scheiden.

Bovendien, de hechting tussen het nikkel en de afzonderlijke lagen 2-D materiaal is ook groter dan die tussen elk van de lagen zelf.

Als resultaat, toen een tweede nikkelfilm werd toegevoegd aan de onderkant van de stapel, konden de onderzoekers individuele, enkel-atoom dikke monolagen van 2-D materiaal.

Dat komt omdat het afpellen van de eerste nikkelfilm scheuren in het materiaal veroorzaakt die zich tot aan de onderkant van de stapel voortplanten, zegt Kim.

Zodra de eerste monolaag die door de nikkelfilm is verzameld, is overgebracht naar een substraat, het proces kan voor elke laag worden herhaald.

"We gebruiken heel eenvoudige mechanica, en door dit gecontroleerde scheurvoortplantingsconcept te gebruiken, zijn we in staat om monolaag 2-D materiaal op waferschaal te isoleren, " hij zegt.

De universele techniek kan worden gebruikt met een reeks verschillende 2D-materialen, inclusief hexagonaal boornitride, wolfraamdisulfide, en molybdeendisulfide.

Op deze manier kan het worden gebruikt om verschillende soorten monolaag 2-D-materialen te produceren, zoals halfgeleiders, metalen, en isolatoren, die vervolgens op elkaar kunnen worden gestapeld om de 2D-heterostructuren te vormen die nodig zijn voor een elektronisch apparaat.

"Als je elektronische en fotonische apparaten fabriceert met behulp van 2D-materialen, de apparaten zullen slechts een paar monolagen dik zijn, " zegt Kim. "Ze zullen extreem flexibel zijn, en kan op alles worden gestempeld, " hij zegt.

Het proces is snel en goedkoop, waardoor het geschikt is voor commerciële activiteiten, hij voegt toe.

De onderzoekers hebben de techniek ook gedemonstreerd door met succes arrays van veldeffecttransistoren te fabriceren op waferschaal, met een dikte van slechts enkele atomen.

"Het werk heeft veel potentieel om 2D-materialen en hun heterostructuren naar toepassingen in de echte wereld te brengen, " zegt Philip Kim, een professor in de natuurkunde aan de Harvard University, die niet bij het onderzoek betrokken was.

De onderzoekers zijn nu van plan de techniek toe te passen om een ​​reeks elektronische apparaten te ontwikkelen, inclusief een niet-vluchtig geheugenarray en flexibele apparaten die op de huid kunnen worden gedragen.

Ze zijn ook geïnteresseerd in het toepassen van de techniek om apparaten te ontwikkelen voor gebruik in het "internet of things, ' zegt Kim.

"Het enige wat je hoeft te doen is deze dikke 2D-materialen te laten groeien, isoleer ze vervolgens in monolagen en stapel ze op. Het is dus extreem goedkoop - veel goedkoper dan het bestaande halfgeleiderproces. Dit betekent dat het 2D-materialen op laboratoriumniveau in productie zal brengen voor commercialisering, ' zegt Kim.

"Dat maakt het perfect voor IoT-netwerken, want als je conventionele halfgeleiders zou gebruiken voor de meetsystemen, zou het duur zijn."