Wat maakt iets tot een kristal? Een transparante en glinsterende edelsteen? Niet noodzakelijk, in de microscopische wereld. Wanneer al zijn atomen zijn gerangschikt in overeenstemming met specifieke wiskundige regels, we noemen het materiaal een eenkristal. Omdat de natuurlijke wereld zijn unieke symmetrie heeft, bijv. sneeuwvlokken of honingraten, de atomaire wereld van kristallen is ontworpen door zijn eigen regels van structuur en symmetrie. Deze materiële structuur heeft ook een diepgaand effect op de fysieke eigenschappen. specifiek, eenkristallen spelen een belangrijke rol bij het tot zijn recht komen van de intrinsieke eigenschappen van een materiaal. Geconfronteerd met het naderende einde van het miniaturisatieproces dat de op silicium gebaseerde geïntegreerde schakeling tot nu toe mogelijk heeft gemaakt, er zijn grote inspanningen geleverd om een ​​monokristallijne vervanging voor silicium te vinden.

Op zoek naar de transistor van de toekomst, tweedimensionale (2-D) materialen, vooral grafeen, zijn het onderwerp geweest van intensief onderzoek over de hele wereld. Omdat het dun en flexibel is omdat het slechts een enkele laag atomen is, deze 2D-versie van koolstof heeft zelfs een ongekende stroom- en warmtegeleiding. Echter, de inspanningen van de afgelopen tien jaar voor grafeentransistors werden opgehouden door fysieke beperkingen - grafeen biedt geen controle over de elektriciteitsstroom vanwege het ontbreken van een bandgap. Dus dan, hoe zit het met andere 2D-materialen? Van een aantal interessante 2D-materialen is gemeld dat ze vergelijkbare of zelfs superieure eigenschappen hebben. Nog altijd, het gebrek aan begrip bij het creëren van ideale experimentele omstandigheden voor 2D-materialen met een groot oppervlak heeft hun maximale grootte beperkt tot slechts enkele millimeters.

Wetenschappers van het Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) binnen het Institute for Basic Science (IBS) hebben een nieuwe benadering gepresenteerd om op grote schaal te synthetiseren, silicium-wafel-formaat, enkelkristallijne 2D-materialen. Prof. Feng Ding en mevrouw Leining Zhang in samenwerking met hun collega's aan de Universiteit van Peking, China en andere instellingen hebben een substraat gevonden met een lagere symmetrie dan dat van een 2D-materiaal dat de synthese van monokristallijne 2D-materialen in een groot gebied mogelijk maakt. "Het was van cruciaal belang om de juiste balans van rotatiesymmetrieën tussen een substraat en een 2D-materiaal te vinden, " merkt prof. Feng Ding op, een van de corresponderende auteurs van deze studie. De onderzoekers synthetiseerden met succes hBN-eenkristallen van 10 x 10 cm ² door een nieuw substraat te gebruiken:een oppervlak nabij Cu(110) dat een lagere symmetrie heeft van (1) dan hBN met (3).

Waarom is symmetrie belangrijk? Symmetrie, in het bijzonder rotatiesymmetrie, beschrijft hoe vaak een bepaalde vorm op zichzelf past tijdens een volledige rotatie van 360 graden. De meest efficiënte methode om grote oppervlakten en eenkristallen van 2D-materialen te synthetiseren, is om lagen over lagen van kleine eenkristallen te rangschikken en ze op een substraat te laten groeien. In deze epitaxiale groei, het is een hele uitdaging om ervoor te zorgen dat alle eenkristallen in één richting zijn uitgelijnd. Oriëntatie van de kristallen wordt vaak beïnvloed door het onderliggende substraat. Door theoretische analyse, de IBS-wetenschappers ontdekten dat een hBN-eiland (of een groep hBN-atomen die een enkele driehoekige vorm vormt) twee equivalente uitlijningen heeft op het Cu(111)-oppervlak met een zeer hoge symmetrie van (6). "Het was een algemene opvatting dat een substraat met een hoge symmetrie kan leiden tot de groei van materialen met een hoge symmetrie. Het leek intuïtief logisch, maar deze studie vond dat het onjuist is, " zegt mevrouw Leining Zhang, de eerste auteur van de studie.

Eerder, verschillende substraten zoals Cu(111) zijn gebruikt om monokristallijn hBN in een groot gebied te synthetiseren, maar geen van hen was succesvol. Elke poging eindigde met hBN-eilanden die in verschillende richtingen op de oppervlakken uitlijnden. Overtuigd door het feit dat de sleutel tot unidirectionele uitlijning het verminderen van de symmetrie van het substraat is, de onderzoekers hebben enorme inspanningen geleverd om vicinale oppervlakken met een Cu(110)-oriëntatie te verkrijgen; een oppervlak verkregen door het snijden van een Cu(110) met een kleine hellingshoek. Het is als het vormen van fysieke stappen op Cu. Aangezien een hBN-eiland de neiging heeft om parallel aan de rand van elke trede te worden geplaatst, het krijgt slechts één voorkeursuitlijning. De kleine hellingshoek verlaagt ook de symmetrie van het oppervlak.

De onderzoekers ontdekten uiteindelijk dat een klasse van vicinale oppervlakken van Cu (110) kan worden gebruikt om de groei van hBN te ondersteunen met een perfecte uitlijning. Op een zorgvuldig geselecteerde ondergrond met de laagste symmetrie (anders herhaalt het oppervlak zich pas na 360 graden rotatie), hBN heeft slechts één voorkeursrichting voor uitlijning. Het onderzoeksteam van Prof. Kaihui Liu van de Universiteit van Peking heeft een unieke methode ontwikkeld om een ​​grote Cu-folie te gloeien, tot 10 x 10 cm ² , in een enkel kristal met het vicinale Cu (110) oppervlak, en daarmee ze hebben de synthese van hBN-eenkristallen van dezelfde grootte bereikt.

Naast flexibiliteit en ultradunne dikte, opkomende 2D-materialen kunnen buitengewone eigenschappen vertonen wanneer ze worden vergroot als eenkristallen. "Deze studie geeft een algemene richtlijn voor de experimentele synthese van verschillende 2D-materialen. Naast de hBN, veel andere 2D-materialen kunnen worden gesynthetiseerd met enkelkristallijne substraten met een groot oppervlak met lage symmetrie, " zegt prof. Feng Ding. Met name, hBN is de meest representatieve 2D-isolator, die verschilt van de geleidende 2D-materialen, zoals grafeen, en 2D-halfgeleiders, zoals molybdeendisulfide (MoS ₂ ). Het verticaal stapelen van verschillende soorten 2D materialen, zoals hBN, grafeen en MoS ₂ , zou leiden tot een groot aantal nieuwe materialen met uitzonderlijke eigenschappen en voor tal van toepassingen kunnen worden gebruikt, zoals hoogwaardige elektronica, sensoren, of draagbare elektronica."