Tweedimensionale materialen van gelaagde van der Waals (vdW) kristallen zijn veelbelovend voor elektronische, opto-elektronisch, en kwantumapparaten, maar het maken/vervaardigen ervan werd beperkt door het ontbreken van technieken met een hoge doorvoer voor het exfoliëren van monolagen met één kristal van voldoende grootte en hoge kwaliteit. Onderzoekers van Columbia University rapporteren vandaag in Wetenschap dat ze een nieuwe methode hebben uitgevonden - met behulp van ultraplatte goudfilms - om vdW-eenkristallen laag voor laag te demonteren in monolagen met een opbrengst van bijna één en met afmetingen die alleen worden beperkt door bulkkristalgroottes.

De monolagen die met deze techniek worden gegenereerd, hebben dezelfde hoge kwaliteit als die gemaakt door conventionele "Scotch tape"-exfoliatie, maar zijn ongeveer een miljoen keer groter. De monolagen kunnen worden samengevoegd tot macroscopische kunstmatige structuren, met eigenschappen die niet gemakkelijk worden gecreëerd in conventioneel gekweekte bulkkristallen. Bijvoorbeeld, lagen molybdeendisulfide kunnen met elkaar worden uitgelijnd, zodat de resulterende stapel spiegelsymmetrie mist en als resultaat een sterk niet-lineaire optische respons vertoont, waar het rood licht absorbeert en ultraviolet licht uitstraalt, een proces dat bekend staat als tweede harmonische generatie.

"Deze aanpak brengt ons een stap dichter bij massaproductie van macroscopische monolagen en bulkachtige kunstmatige materialen met controleerbare eigenschappen, " zegt co-PI James Hone, Wang Fong-Jen hoogleraar werktuigbouwkunde aan Columbia Engineering.

De ontdekking 15 jaar geleden dat enkele atomaire lagen koolstof - grafeen - gemakkelijk konden worden gescheiden van bulkkristallen van grafiet en bestudeerd konden worden als perfecte 2D-materialen, werd erkend met de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010. Vanaf dat moment, onderzoekers over de hele wereld hebben eigenschappen en toepassingen van een grote verscheidenheid aan 2D-materialen bestudeerd, en leerde hoe deze lagen te combineren tot gestapelde heterostructuren die zelf in wezen nieuwe hybride materialen zijn. De originele plakbandmethode ontwikkeld voor grafeen, die een zelfklevend polymeer gebruikt om kristallen uit elkaar te trekken, is gemakkelijk te implementeren maar is niet goed te controleren en produceert 2D-platen van beperkte grootte - meestal tientallen micrometers breed, of de grootte van een doorsnede van een enkele haarlok.

Een grote uitdaging voor het veld en de toekomstige productie is hoe dit proces kan worden opgeschaald naar veel grotere formaten in een deterministisch proces dat op aanvraag 2D-platen produceert. De dominante benadering voor het opschalen van de productie van 2D-materialen is de groei van dunne films, die grote successen heeft opgeleverd, maar nog steeds wordt geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van materiaalkwaliteit, reproduceerbaarheid, en de vereiste temperaturen. Andere onderzoeksgroepen pionierden met het gebruik van goud om grote 2D-vellen te exfoliëren, maar hebben benaderingen gebruikt die ofwel de 2D-vellen op gouden substraten achterlaten of tussenliggende stappen omvatten van het verdampen van hete goudatomen die de 2D-materialen beschadigen.

"In onze studie we werden geïnspireerd door de halfgeleiderindustrie, die de ultrazuivere siliciumwafels maakt die worden gebruikt voor computerchips door grote eenkristallen te laten groeien en ze in dunne schijven te snijden, " zegt de leidende PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professor in nanowetenschappen aan de scheikundeafdeling van Columbia. "Onze aanpak doet dit op atomaire schaal:we beginnen met een zeer zuiver kristal van een gelaagd materiaal en pellen één laag tegelijk af, het bereiken van zeer zuivere 2D-platen die dezelfde afmetingen hebben als het moederkristal."

De onderzoekers volgden de Nobelprijswinnende plakbandmethode en ontwikkelden een ultraplatte gouden tape in plaats van de zelfklevende polymeertape. Het atomair vlakke gouden oppervlak hecht sterk en uniform aan het kristallijne oppervlak van een 2-D materiaal en demonteert het laag voor laag. De lagen hebben dezelfde grootte en afmeting als het originele kristal en bieden een mate van controle die veel verder gaat dan wat mogelijk is met plakband.

"De gouden tape-methode is zo zacht dat de resulterende vlokken dezelfde kwaliteit hebben als die gemaakt met de plakbandtechniek, " zegt postdoctoraal wetenschapper Fang Liu, de hoofdauteur van het papier. "En wat vooral opwindend is, is dat we deze atomair dunne wafels in elke gewenste volgorde en oriëntatie kunnen stapelen om een ​​hele nieuwe klasse kunstmatige materialen te genereren."

Het werk werd uitgevoerd in het Center for Precision Assembly of Superstratic and Superatomic Solids, een Materials Science and Engineering Research Center, gefinancierd door de National Science Foundation en geleid door Hone. Het onderzoeksproject maakte gebruik van gedeelde faciliteiten van het Columbia Nano Initiative.

Gemotiveerd door recente opwindende ontwikkelingen in "twistronica, " het team onderzoekt nu het toevoegen van kleine rotatie tussen lagen in deze kunstmatige materialen. ze hopen op macroschaal de opmerkelijke controle over kwantumeigenschappen zoals supergeleiding te bereiken die onlangs zijn aangetoond in vlokken van micrometerformaat. Ze werken ook aan het verbreden van hun nieuwe techniek tot een algemene methode voor alle soorten gelaagde materialen, en kijken naar mogelijke robotautomatisering voor grootschalige productie en commercialisering.