Zeer kleine stappen maken een groot verschil voor onderzoekers die grote wafels van tweedimensionaal materiaal willen maken.

Stappen ter grootte van een atoom in een substraat zorgen ervoor dat 2D-kristallen die in een chemische dampoven groeien in perfecte volgorde samenkomen. Wetenschappers hebben onlangs dit fenomeen waargenomen, en nu heeft een groep van Rice University een idee waarom het werkt.

Rijstmateriaaltheoreticus Boris Yakobson en onderzoeker Ksenia Bets leidden de constructie van simulaties die atoomgrote stappen op een groeioppervlak laten zien, of ondergrond, hebben het opmerkelijke vermogen om monolaag-kristaleilanden op één lijn te houden terwijl ze groeien.

Als de omstandigheden goed zijn, de eilanden komen samen in een groter kristal zonder de korrelgrenzen die zo kenmerkend zijn voor 2D-materialen zoals grafeen dat wordt gekweekt via chemische dampafzetting (CVD). Dat behoudt hun elektronische perfectie en kenmerken, die per materiaal verschillen.

De Rice-theorie verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

Het onderzoek richtte zich op hexagonaal boornitride (h-BN), oftewel wit grafeen, een kristal dat vaak via CVD wordt gekweekt. Kristallen kiemen op verschillende plaatsen op een perfect vlak substraatmateriaal en niet noodzakelijk op één lijn met elkaar.

Echter, recente experimenten hebben aangetoond dat groei op vicinale substraten - oppervlakken die vlak lijken maar in werkelijkheid schaars, atomair kleine stappen - kunnen de kristallen op één lijn brengen en ze helpen samen te smelten tot een enkele, uniforme structuur, zoals gerapporteerd op arXiv. Een co-auteur van dat rapport en leider van het Koreaanse team, Feng Ding, is een alumnus van het Yakobson-lab en een huidige adjunct-professor bij Rice.

Maar de experimentatoren laten niet zien hoe het werkt als, Yakobson zei, het is bekend dat de stappen meanderen en enigszins verkeerd zijn uitgelijnd.

"Ik vergelijk het mechanisme graag met een 'digitaal filter, ' hier aangeboden door de discrete aard van atoomroosters, " zei hij. "De analoge curve die, met zijn hellingen, beschrijft dat een meanderende stap wordt 'bemonsterd en gedigitaliseerd' door het raster van samenstellende atoomrijen, het breken van de bocht in rechte 1D-terrassegmenten. De helling helpt niet, maar het doet geen pijn. Verrassend genoeg, de match kan goed zijn; als een goed ontworpen huis op een heuvel, het staat rechtop.

"De theorie is simpel, hoewel het veel moeite kostte om de complementariteitsovereenkomst tussen de metalen sjabloon en de h-BN te berekenen en te bevestigen, bijna zoals voor A-G-T-C-paren in strengen DNA, ' zei Yakobson.

Het was onduidelijk waarom de kristallen zo goed samensmolten tot simulaties door Bets, met de hulp van co-auteur en Rice afgestudeerde student Nitant Gupta, toonde aan hoe h-BN "eilanden" uitgelijnd blijven terwijl ze langs zichtbaar gebogen trappen kiemen.

"Een vicinaal oppervlak heeft treden die enigszins niet goed zijn uitgelijnd in het vlakke gebied, "Zei Bets. "Het heeft grote terrassen, maar af en toe zullen er stappen van één atoom hoog zijn. De truc van de experimentatoren was om deze vicinale stappen in één richting uit te lijnen."

Bij chemische dampafzetting, een heet gas van de atomen die het materiaal zullen vormen, wordt in de kamer gestroomd, waar ze neerslaan op het substraat en kristallen vormen. h-BN-atomen op een vicinaal oppervlak nestelen zich het liefst in de holte van de treden.

"Ze hebben een mooie hoek waar de atomen meer buren zullen hebben, wat hen gelukkiger maakt, "Zei Bets. "Ze proberen zich aan te passen aan de trappen en van daaruit te groeien.

"Maar vanuit een natuurkundig oogpunt, het is onmogelijk om een ​​perfecte, atomair vlakke stap, ' zei ze. 'Vroeg of laat, er zullen kleine inkepingen zijn, of knikken. We ontdekten dat op atomaire schaal, deze knikken in de stappen voorkomen niet dat h-BN wordt uitgelijnd als hun afmetingen complementair zijn aan de h-BN-structuur. In feite, ze dragen bij aan de co-oriëntatie van de eilanden."

Omdat de stappen die het Rice-lab heeft gemodelleerd 1,27 angstrom diep zijn (een angstrom is een miljardste van een meter), de groeiende kristallen hebben weinig moeite om de grens te overschrijden. "Die stappen zijn kleiner dan de bindingsafstand tussen de atomen, "Zei Bets. "Als ze groter waren, zoals twee angstrom of hoger, het zou meer een natuurlijke barrière zijn, dus de parameters moeten zorgvuldig worden aangepast."

Twee groeiende eilanden die elkaar naderen, sluiten naadloos op elkaar aan, volgens de simulaties. evenzo, scheuren die langs treden verschijnen, genezen gemakkelijk omdat de bindingen tussen de atomen sterk genoeg zijn om de kleine afstand te overbruggen.

Elk pad naar grootschalige groei van 2D-materialen is de moeite waard voor een leger aan toepassingen, volgens de onderzoekers. 2-D materialen zoals geleidend grafeen, isolerende h-BN en halfgeleidende overgangsmetaal dichalcogeniden zijn allemaal de focus van intensief onderzoek door onderzoekers over de hele wereld. De Rice-onderzoekers hopen dat hun theoretische modellen de weg zullen wijzen naar grote kristallen van vele soorten.