Een team van multidisciplinaire wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft een nieuwe, precieser, methode om elektromechanische apparaten op nanoschaal te maken. Hun onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"In de afgelopen vijf jaar er is een enorme goudkoorts geweest waarbij onderzoekers ontdekten dat we 2D-materialen konden maken die van nature maar één molecuul dik zijn, maar veel verschillende elektronische eigenschappen kunnen hebben, en door ze op elkaar te stapelen, we zouden bijna elk elektronisch apparaat op moleculaire grootte kunnen bouwen, zei Arend van der Zande, hoogleraar werktuigbouwkunde en techniek.

"De uitdaging was hoewel we deze structuren tot een paar moleculen dik kunnen maken, we konden ze niet modelleren, " hij zei.

Op elke schaal van elektronisch apparaat, lagen worden weggeëtst in precieze patronen om te bepalen hoe de stroom vloeit. "Dit concept ligt ten grondslag aan veel technologieën, zoals geïntegreerde schakelingen. Echter, hoe kleiner je gaat, hoe moeilijker dit is om te doen, zei Van der Zande.

"Bijvoorbeeld, hoe maak je elektrisch contact op moleculaire laag drie en vijf, maar niet op laag vier op atomair niveau?"

Een toevallige ontdekking leidde tot een methode om precies dat te doen.

Als nieuwe postdoctoraal onderzoeker in het lab van van der Zande, Jangyup Son deed experimenten met enkele lagen grafeen met Xenondifluoride, XeF2, toen hij toevallig een ander materiaal bij de hand "gooide":hexagonaal boornitride (hBN), een elektrische isolator.

"Jangyup schoof beide materialen tegelijkertijd in de etskamer, en wat hij zag was dat er nog een enkele laag grafeen was, maar een dik stuk hBN was volledig weggeëtst door het Xenondifluoride."

Deze toevallige ontdekking bracht het team ertoe om te zien waar ze het vermogen van grafeen om het etsmiddel te weerstaan, konden toepassen.

"Deze ontdekking stelde ons in staat om tweedimensionale structuren te vormen door lagen grafeen tussen andere materialen te plaatsen, zoals hexagonaal boornitride (hBN), overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC's), en zwarte fosfor (BP), om selectief en nauwkeurig één laag te etsen zonder de laag eronder te etsen."

grafeen, bij blootstelling aan het etsmiddel XeF2, behoudt zijn moleculaire structuur en maskers, of beschermt, de laag eronder en stopt de ets daadwerkelijk.

"Wat we hebben ontdekt, is een manier om ingewikkelde structuren te modelleren tot op moleculaire en atomaire schaal, " hij zei.

Om de sterke punten van de nieuwe techniek te verkennen, de groep creëerde een eenvoudige grafeentransistor om de prestaties te testen ten opzichte van traditioneel gemaakte grafeentransistors, die momenteel een patroon hebben dat wanorde in het materiaal veroorzaakt, hun prestaties verslechteren.

"Omdat deze moleculen allemaal aan de oppervlakte zijn, als je het ergens op hebt zitten met een stoornis, het verpest het vermogen van de elektronen om door het materiaal te bewegen en daarmee de elektronische prestaties, ", aldus van der Zande. "Om het best mogelijke apparaat te maken, je moet het grafeenmolecuul inkapselen in een ander tweedimensionaal materiaal zoals isolerend hBN om het superplat en schoon te houden."

Dit is waar de nieuwe techniek zo handig is. Het grafeenmolecuul kan ingekapseld en ongerept blijven, terwijl het bestand is tegen de ets die nodig is om contact te maken met het materiaal, waardoor de eigenschappen van het materiaal behouden blijven.

Als proof-of-concept, de transistors gemaakt met behulp van de nieuwe techniek presteerden beter dan alle andere transistors, "waardoor ze de beste grafeentransistors zijn die tot nu toe in de literatuur zijn gedemonstreerd."

De volgende stappen, zei Van der Zande, zijn om te zien hoe schaalbaar de techniek is en of het voorheen onmogelijke apparaten mogelijk maakt. Kunnen we profiteren van het zelf-arresterende karakter van deze techniek om een ​​miljoen identieke transistors te maken in plaats van slechts één? Kunnen we apparaten tot op nanoschaal in alle drie de dimensies tegelijkertijd modelleren om nanolinten te maken zonder enige wanorde?

"Nu we een manier hebben om de wanorde in het materiaal te minimaliseren, we onderzoeken manieren om kleinere functies te maken, omdat we tegelijkertijd inkapseling en patroonvorming kunnen doen, "zei hij. "Normaal gesproken, wanneer je kleinere kenmerken probeert te maken, zoals nanolinten van 2D-materialen, begint de wanorde te domineren, dus de apparaten werken niet goed."

"De grafeenetsstop, zoals de techniek heet, zal het hele proces van het bouwen van apparaten gemakkelijker maken."