EPFL-wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om de fysieke eigenschappen van 2D-materialen permanent te veranderen met behulp van een nanometrische tip. Hun aanpak, waarbij de materialen worden vervormd, maakt de weg vrij voor het gebruik van deze materialen in elektronische en opto-elektronische apparaten.

Materialen hebben allemaal hun eigen eigenschappen:ze kunnen isolerend, halfgeleidend, metalen, transparant of flexibel, bijvoorbeeld. Sommige combineren verschillende zeer nuttige eigenschappen, wat het geval is voor 2D-materialen. Bestaat uit slechts één of enkele lagen atomen, deze materialen zijn veelbelovend voor de fabricage van elektronische en opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.

"In ons vakgebied silicium is nog steeds koning. Maar het bereikt zijn limiet voor sommige elektronische apparaten, zoals degenen die flexibel of transparant moeten zijn. 2D-materialen kunnen een levensvatbaar alternatief zijn, " zegt Jurgen Brugger, de professor die aan het hoofd staat van het Microsystems Laboratory 1 van EPFL's School of Engineering.

Eigenschappen aanpassen voor specifieke toepassingen

Voordat 2D-materialen kunnen worden gebruikt, ze moeten gestructureerd zijn, wat betekent dat ze in de juiste maat en vorm moeten worden gesneden voor de gegeven toepassing. Hun fysieke eigenschappen (zoals de bandgap) moeten ook worden aangepast, zowel door het materiaal heen als op specifieke locaties. Wetenschappers van het Microsystems Laboratory 1, in samenwerking met ETH Zürich en IBM, hebben een nieuwe methode ontwikkeld om de eigenschappen van deze materialen te veranderen.

Materialen vervormen met een nanometrische tip

Het onderzoeksteam gebruikte thermische scanning probe lithografie (t-SPL), wat inhoudt dat een verwarmde nanometrische punt op het materiaal wordt geplaatst en druk wordt uitgeoefend om de gewenste vorm te creëren - in dit geval golvend - terwijl de kracht en temperatuur zorgvuldig worden gecontroleerd. "Er bestaan ​​al verschillende methoden om 2D-materialen wereldwijd en lokaal te vervormen. Maar onze thermomechanische benadering kan grotere vervormingen veroorzaken en daarom grotere variaties in de fysieke eigenschappen van een materiaal produceren, " zegt Ana Conde-Rubio, een wetenschapper bij het EPFL-lab. Specifieker, de nieuwe methode kan de energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband veranderen, waardoor de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal veranderen. En deze verandering in bandgap kan lokaal worden uitgevoerd met een ruimtelijke resolutie tot 20 nanometer.

Eén gereedschap voor het snijden en wijzigen van 2D-materialen

De wetenschappers hadden al een methode ontwikkeld om 2D-materialen met hoge precisie te snijden. Nu is hun doel om die methode te combineren met deze nieuwe manier om de eigenschappen van het materiaal te veranderen. "Met hetzelfde hulpmiddel, de t-SPL, we zullen apparaten kunnen maken met de gewenste vorm, afmetingen en fysieke eigenschappen, met een resolutie tot op de schaal van 10 nanometer", zegt Xia Liu, een andere wetenschapper in het laboratorium van Brugger. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in Nano-letters .

Hun werk maakt deel uit van een groter onderzoeksproject om nieuwe processen te ontwikkelen voor het vervaardigen en aanpassen van polymeermaterialen voor wearables en implantables. Het doel is om de overgang van laboratoriumschaal naar industriële productie van apparaten van de volgende generatie mogelijk te maken.