Het creëren van tweedimensionale materialen die groot genoeg zijn om in elektronica te gebruiken, is ondanks enorme inspanningen een uitdaging, maar nu, Onderzoekers van Penn State hebben een methode ontdekt om de kwaliteit van een klasse 2D-materialen te verbeteren, met het potentieel om in de toekomst op wafelschaal te groeien.

Het veld van 2D-materialen met ongebruikelijke eigenschappen is geëxplodeerd in de 15 jaar sinds Konstantin Novoselov en Andre Geim een ​​enkele atomaire laag koolstofatomen van bulkgrafeen trokken met eenvoudig plakband. Hoewel er veel wetenschappelijk onderzoek is gedaan naar deze kleine fragmenten van grafeen, industriële lagen zijn moeilijk te kweken.

Van de beoogde materialen voor elektronica van de volgende generatie, een groep halfgeleiders genaamd overgangsmetaal dichalcogeniden lopen voorop. TMD's zijn slechts een paar atomen dik, maar zijn zeer efficiënt in het uitstralen van licht, waardoor ze kandidaten zijn voor opto-elektronica zoals lichtgevende diodes, fotodetectoren, of single-photon emitters.

"Ons uiteindelijke doel is om monolaagfilms te maken van wolfraamdiselenide- of molybdeendisulfideplaten, en om ze met behulp van chemische dampafzetting op zo'n manier te deponeren dat we een perfecte monokristallijne laag over een hele wafel krijgen, " zei Joan Roodvleugel, hoogleraar materiaalkunde en elektronica, en directeur van het 2-D Crystal Consortium van Penn State, een National Science Foundation Materials Innovation Platform.

Het probleem komt van de manier waarop atomen zich organiseren wanneer ze worden afgezet op een standaardsubstraat, zoals saffier. Vanwege de kristalstructuur van TMD's, ze vormen driehoeken als ze zich over het substraat beginnen te verspreiden. De driehoeken kunnen in tegengestelde richtingen worden georiënteerd, met gelijke waarschijnlijkheid. Wanneer ze tegen elkaar botsen en in elkaar overgaan om een ​​doorlopend vel te vormen, de grens die ze vormen is als een groot defect dat de elektronische en optische eigenschappen van het kristal drastisch vermindert.

"Als de ladingdragers, zoals elektronen of gaten, dit defect tegenkomen, een inversiedomeingrens genoemd, ze kunnen verstrooien, " Zei Koperwiek. "Dit is een klassiek probleem met TMD-groei."

In recente publicaties in de tijdschriften ACS Nano en Fysieke beoordeling B , onderzoekers in Penn State's Departments of Materials Science and Engineering, Natuurkunde, Scheikunde, en Engineering Science and Mechanics laten zien dat als de TMD's worden gekweekt op een oppervlak van hexagonaal boornitride, 85 procent of meer zal in dezelfde richting wijzen. Vin Crespi, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, materiaalwetenschap en techniek en scheikunde, en zijn groep voerden simulaties uit om uit te leggen waarom dit gebeurde. Ze ontdekten dat vacatures in het hexagonale boornitride-oppervlak, waar een boor- of stikstofatoom ontbrak, zou een metaalatoom kunnen vangen - wolfraam of molybdeen - en dienen om de driehoeken in een voorkeursrichting te oriënteren. Het verbeterde materiaal vertoonde een verhoogde fotoluminescentie-emissie en een orde van grootte hogere elektronenmobiliteit in vergelijking met 2-D TMD's die op saffier waren gekweekt.

"Onze volgende stap is het ontwikkelen van een proces om hexagonaal boornitride over een wafelschaal te laten groeien, ' zei Koperwiek. 'Daar werken we nu aan. Het is moeilijk om defecten te beheersen en een enkele kristallaag over een groot oppervlak te laten groeien. Veel groepen zijn ermee bezig."