Tweedimensionale (2D) materialen en van der Waals (vdW) heterostructuren zijn flexibele materialen met duidelijke atomaire lagen die verder gaan dan de traditionele vereisten voor roosteraanpassing. Hoe dan ook, de 2D van der Waals-structuren die onderzoekers tot nu toe hebben onderzocht, zijn beperkt tot relatief eenvoudige heterostructuren met een klein aantal blokken. Het is exponentieel moeilijker om hoge-orde vdW-superroosters te maken met een groot aantal alternerende eenheden vanwege hun beperkte opbrengst en de materiële schade die gepaard gaat met herstapelen of synthese.

Met behulp van het door capillaire kracht aangedreven oprolproces, Zhao et al. gedelamineerd synthetisch tinsulfide (SnS ₂ )/wolfraamdiselenide (WSe ₂ ) van der Waals heterostructuren van het groeisubstraat om roll-ups te produceren met afwisselende monolagen van de materialen om SnS van hoge orde te creëren ₂ / WSe ₂ vdW superroosters. De superroosters moduleerden de elektronische bandstructuur en dimensionaliteit om de overgang van transportkenmerken van halfgeleidend naar metaal mogelijk te maken, en van 2D naar eendimensionaal (1D) met een hoekafhankelijke lineaire magnetoweerstand. Het team breidde deze strategie uit om diverse 2D/2D vdW-superroosters te creëren die complexer zijn en verder gaan dan alleen 2D, inclusief 3D-dunne-filmmaterialen en 1D-nanodraden om een ​​mengsel van gemengd-dimensionale vdW-superroosters te genereren. Het werk duidde op een algemene benadering om vdW-superroosters van hoge orde te produceren met een reeks materiaalsamenstellingen, dimensies, chiraliteit en topologie om een ​​rijk materiaalplatform te ontwikkelen voor fundamentele studies en technische toepassingen. De resultaten zijn nu gepubliceerd op Natuur .

Het creëren van van der Waals heterostructuren.

atomair dun, 2D-gelaagde materialen hebben nieuwe wegen geopend om laagdimensionale fysica te verkennen op de limiet van enkele of enkele atomaire lagen, om functionele apparaten te creëren met ongekende prestaties of unieke functionaliteiten. Materiaalwetenschappers kunnen verschillende 2D-materialen mixen en matchen, waaronder grafeen, hexagonaal boornitride en overgangsmetaaldichalcogeniden om 2D vdW-heterostructuren en vdW-superroosters te creëren die de grenzen van roosteraanpassing overschrijden. Deze materiaalarchitecturen introduceerden een paradigma om kunstmatige materialen te ontwerpen met structurele en elektronische eigenschappen voor functies die buiten het bereik van bestaande materialen liggen. Onderzoekers hadden tot dusver vdW-heterostructuren en superroosters verkregen via een reeks methoden, waaronder chemische dampafzetting (CVD), mechanische exfoliatie en laag-voor-laag herstapelen om diverse heterostructuren te creëren. In dit werk, Zhao et al. rapporteerde een eenvoudige benadering om vdW-superroosters van hoge orde te creëren door 2D vdW-heterostructuren op te rollen. De wetenschappers stelden de door CVD gekweekte 2D/2D vdW-heterostructuren bloot aan een ethanol-water-ammoniakoplossing om de capillaire kracht in staat te stellen spontane delaminatie en oprolprocessen aan te sturen om vdW-heterostructuurroll-ups te vormen. Deze materialen bevatten vdW-superroosters van hoge orde zonder meerdere overdrachts- en herstapelingsprocessen. Het team gebruikte vervolgens scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) en energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) elementaire mapping-studies om de atomaire samenstelling van de superroosters te bepalen.

Ontwikkelen van roll-up vdW heterostructuren

De wetenschappers voerden vervolgens elektrisch transportonderzoek uit om de evolutie van de transportkarakteristieken van 2D naar 1D te laten zien met sterk verbeterde geleiding en hoekafhankelijke magnetoweerstand in de vdW-superroosters. Ze breidden de oprolstrategie uit om diverse 2D/2D vdW-superroosters en complexe driecomponenten 2D/2D/2D vdW-superroosters te creëren met behulp van tin-sulfide/molybdeendisulfide/wolfraamdisulfidematerialen. De techniek maakte ook de productie van materialen mogelijk die verder gaan dan 2D, inclusief 3D- of 1D-materialen om een ​​reeks multidimensionale vdW-superroosters te genereren.

fabricageproces:

Tijdens het fabricageproces van oprolbare vdW superroosters, Zhao et al. groeide eerst een 2D atomair kristal op een siliciumdioxide-siliciumsubstraat met behulp van een gemodificeerd chemisch dampafzettingsproces. Het team gebruikte de resulterende 2D-kristallen als sjablonen voor vdW-epitaxiale groei om vdW-heterostructuren te bereiken. Vervolgens startten ze door capillaire kracht aangedreven oprolprocessen met behulp van een ethanol-water-ammoniakoplossing. De oplossing intercaleerde op het grensvlak tussen de tinsulfide/wolfraamdisulfide vdW-heterostructuren en het onderliggende siliciumdioxide/siliciumsubstraat om de tin-sulfide/wolfraamdiselenideconstructies te delamineren en spontane oprolprocessen te induceren met behulp van oppervlaktespanning. Het werk maakte 2D vdW heterostructuur rollups mogelijk die 2D vdW superroosters van hoge orde bevatten. De onderzoekers gebruikten vervolgens gefocusseerd ionenstraalfrezen om een ​​dwarsdoorsnede van de roll-ups te produceren, en analyseerde ze met behulp van STEM- en EDS-elementtoewijzingsstudies met hoge resolutie.

Het oprolproces opent een eenvoudig pad voor superroosters van hoge orde en biedt materiaalwetenschappers een methode om de tussenlaagkoppeling op maat te maken, dimensionaliteit en topologie van de resulterende superroosterstructuur. Bijvoorbeeld, door de tin-sulfide/wolfraamdiselenide dubbellaagse vdW-heterostructuren te transformeren in een vdW-superrooster van hoge orde, Zhao et al. zou zijn bandstructuur en dus zijn elektronische eigenschappen kunnen wijzigen. De onderzoekers onderzochten de effecten door eerste-principeberekeningen uit te voeren op basis van veeldeeltjesperturbatietheorie en de elektronische bandstructuur van de resulterende vdW-superroosters te onderzoeken. De resultaten toonden aan dat de heterobilaag een type-II-banduitlijning vertoonde met het valentiebandmaximum (VBM) afkomstig van het wolfraamselenidemateriaal en het geleidingsbandminimum afkomstig van het tinsulfide voor een schijnbare indirecte bandafstand van 0,33 eV. Aanvullende structurele wijzigingen van superroosters zouden het profiel kunnen veranderen van voornamelijk supergeleidende eigenschappen in heterobilagen naar metallisch gedrag.

Veldeffecttransistors

Om de elektrische eigenschappen van de vdW-superroosters te begrijpen, de onderzoekers ontwikkelden vervolgens veldeffecttransistoren (FET's) met behulp van de heterobilagen en roll-up vdW-superroosters op siliciumdioxide / siliciumsubstraat, met dunne metaalfilms als bron- en afvoerelektroden, een siliciumsubstraat als de achterpoort en siliciumdioxide als het poortdiëlektricum van de opstelling tijdens onderzoeken naar elektrisch transport. Het heterobilayer-apparaat vertoonde weinig geleiding, terwijl de oprolbare vdW-superroosters een hoge geleiding vertoonden met een stroom van 100 A bij een voorspanning van 1 V. De resultaten wezen op het sterk verbeterde ladingstransport in de oprolbare vdW-superroosters door de aanzienlijk verminderde bandgap. Op basis van de overdrachtskenmerken Zhao et al. bepaalden de dragermobiliteit en dragerdichtheid in de vdW heterobilaag en oprolbare superroosters. Het werk duidde op een evolutie van de bandstructuur. Opmerkelijk, het team liet zien hoe de dimensionaliteit veranderde van 2D naar 1D bij het oprollen. Ze bevestigden het 1D-transportkarakter van de roll-ups met behulp van hoekafhankelijke magnetoweerstandsonderzoeken.

Superroosters van hoge orde .

Zhao et al. vervolgens de roll-up strategie uitgebreid om 2D/2D superrooster roll-ups te produceren met verschillende chemische samenstellingen en fysische eigenschappen als een rijk platform om ferro-elektriciteit te onderzoeken, ferromagnetisme, supergeleiding en piëzo-elektriciteit onder verschillende geometrieën en dimensionaliteiten. Ze ontwikkelden ook superroosterstructuren van hoge orde die zich herhalende eenheden van monolagen en bilagen bevatten om een ​​zeer uniforme superroosterstructuur te vormen voor de drie samenstellende 2D-materialen. Ze breidden de aanpak uit om gemengd-dimensionale vdW-superroosters te maken op basis van atomaire laagdepositie (ALD). De onderzoekers ontwikkelden ook complexere superroosters door de heterobilaag op te rollen met verschillende materiaalsamenstellingen en chiraliteiten om een ​​opwindende richting te presenteren om in toekomstige studies te verkennen.

Op deze manier, Bei Zhao en collega's ontwikkelden een eenvoudige en algemene benadering om multidimensionale vdW-superroosters van hoge orde te vormen met afwisselende lagen van verschillende 2D-materialen, naast 3D- en 1D-materialen. De materialen behielden sterk variabele samenstellingen en afmetingen om hoogontwikkelde kunstmatige constructies te creëren die verder gingen dan traditionele materiaalsystemen. Het werk biedt aanzienlijke vrijheid om de resulterende superroosterstructuren aan te passen voor tussenlaagkoppeling, chiraliteit en topologie. Dergelijke materialen kunnen worden afgestemd om complexe superroosterstructuren te produceren die lijken op die typisch worden gebruikt in transistors met meerdere vellen, quantum tunneling apparaten, geavanceerde light-emitting diodes, of kwantumcascadelasers. Deze experimentele opstelling met 1D- en 3D-componenten biedt unieke geometrieën die nuttig zijn om de kwantumfysica te verkennen en specifieke apparaatfuncties te realiseren. Het werk biedt ook een rijk materieel platform voor fundamentele studies en technische toepassingen.

© 2021 Science X Network