Onderzoekers van de Tokyo Metropolitan University hebben atomair dunne kristallijne lagen van overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC's) met variërende samenstelling over de ruimte laten groeien, continu voeden van verschillende soorten TMDC naar een groeikamer om veranderingen in eigenschappen aan te passen. Voorbeelden zijn 20 nanometer strips omgeven door TMDC's met atomair rechte interfaces en gelaagde structuren. Ze hebben ook direct de elektronische eigenschappen van deze heterostructuren onderzocht; mogelijke toepassingen zijn onder meer elektronica met een ongeëvenaarde energie-efficiëntie.

Halfgeleiders zijn onmisbaar; op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingen ondersteunen de werking van alle digitale, van discrete apparaten zoals computers, smartphones en huishoudelijke apparaten om componenten te bedienen voor elke mogelijke industriële toepassing. Een breed scala aan wetenschappelijk onderzoek is gericht op de volgende stappen in het ontwerpen van halfgeleiders, met name de toepassing van nieuwe materialen om compacter te construeren, efficiënte schakelingen die gebruikmaken van het kwantummechanische gedrag van materialen op nanometer-lengteschaal. Van bijzonder belang zijn materialen met een fundamenteel andere dimensionaliteit; het bekendste voorbeeld is grafeen, een tweedimensionaal rooster van koolstofatomen dat atomair dun is.

Overgangsmetaal dichalcogeniden (of TMDC's) zijn veelbelovende kandidaten voor opname in nieuwe halfgeleiderapparaten. Samengesteld uit overgangsmetalen zoals molybdeen en wolfraam en een chalcogeen (of groep 16 element) zoals zwavel of selenium, ze kunnen gelaagde kristallijne structuren vormen waarvan de eigenschappen drastisch veranderen wanneer het metalen element wordt veranderd, van normale metalen tot halfgeleiders, zelfs voor supergeleiders. Door het beheersbaar weven van domeinen van verschillende TMDC's in een enkele heterostructuur (gemaakt van domeinen met verschillende samenstelling), is het misschien mogelijk om atomair dunne elektronica te produceren met duidelijke, superieure eigenschappen voor bestaande apparaten.

Een team onder leiding van Dr. Yu Kobayashi en universitair hoofddocent Yasumitsu Miyata van de Tokyo Metropolitan University heeft het voortouw genomen bij het creëren van tweedimensionale heterostructuren met verschillende TMDC's met behulp van dampfase-afzetting, de afzetting van voorlopermateriaal in dampvorm op een oppervlak om atomair vlakke kristallijne lagen te maken. Een van de grootste uitdagingen waarmee ze werden geconfronteerd, was het creëren van een perfect vlakke interface tussen verschillende domeinen, een essentiële functie om het meeste uit deze apparaten te halen. Nutsvoorzieningen, ze zijn erin geslaagd een continu proces te ontwikkelen om goed gedefinieerde kristallijne stroken van verschillende TMDC's te laten groeien aan de rand van bestaande domeinen, het maken van strips zo dun als 20nm met een andere samenstelling. Hun nieuwe proces maakt gebruik van vloeibare voorlopers die achtereenvolgens in een groeikamer kunnen worden gevoerd; door de groeisnelheid te optimaliseren, ze waren in staat om heterostructuren te laten groeien met verschillende domeinen die perfect verbonden waren over atomair rechte randen. Ze hebben de koppeling direct in beeld gebracht met behulp van scanning tunneling microscopie (STM), uitstekende overeenkomst vinden met eerste principes numerieke simulaties van hoe een ideale interface eruit zou moeten zien. Het team gebruikte vier verschillende TMDC's, en realiseerde ook een laag-op-laag heterostructuur.

Door atomair scherpe interfaces te creëren, elektronen kunnen effectief worden beperkt tot eendimensionale ruimten op deze 2D-apparaten, voor uitstekende controle van elektronentransport en soortelijke weerstand, evenals optische eigenschappen. Het team hoopt dat dit de weg vrijmaakt voor apparaten met een ongeëvenaarde energie-efficiëntie en nieuwe optische eigenschappen.