Tweedimensionale materialen zijn essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe ultracompacte elektronische apparaten, maar het produceren van foutloze 2D-materialen is een uitdaging. Echter, ontdekking van nieuwe soorten defecten in deze 2D-materialen kan inzicht geven in hoe materialen kunnen worden gemaakt zonder dergelijke onvolkomenheden, volgens een groep onderzoekers van Penn State.

"2D-materialen zijn opwindende nieuwe materialen voor elektronica, en omdat ze zo dun zijn, ze maken het mogelijk om apparaten te verkleinen tot zeer kleine afmetingen, " zei Danielle Reifsnyder Hickey, Penn State assistent-onderzoeksprofessor materiaalwetenschap en techniek. "Dit is van cruciaal belang om elektronica krachtiger te maken, zodat ze meer gegevens kunnen verwerken. het is een enorme uitdaging om perfecte 2D-materialen te kweken over gebieden die groot genoeg zijn om grote reeksen hoogwaardige apparaten te kunnen maken."

Reifsnyder Hickey en het team van Penn State-onderzoekers hebben nieuwe soorten defecten ontdekt die aanwijzingen geven voor een manier om defectvrije 2D-materialen te creëren. De studie verscheen onlangs in Nano-letters .

"We hebben nieuwe defecten gevonden op de Angstrom-schaal, op een tiende van een nanometer, en we waren in staat om de atomaire structuur te correleren met zeer grote schalen, bij enkele microns, " zei Nasim Alem, Penn State universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek en de corresponderende auteur van de studie.

Het team bestudeerde defecten in monolaagfilms van wolfraamdisulfide, gekweekt door de onderzoeksgroep van Joan Redwing, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. Wolfraamdisulfide behoort tot een klasse van 2D-kristallen die bekend staat als overgangsmetaaldichalcogeniden, dat zijn kristallen van drie atomen dik die eigenschappen hebben die ze ideaal maken voor de ontwikkeling van toekomstige elektronica.

"2D-materiaalmonolagen hebben andere eigenschappen dan bulkkristallen, " zei Reifsnyder Hickey. "Bijvoorbeeld, ze hebben directe bandhiaten en kunnen daarom worden gebruikt als zeer kleine transistormaterialen, en hun kristalsymmetrie maakt nieuwe soorten apparaten mogelijk op basis van verhoogde vrijheidsgraden ten opzichte van hun bulk-tegenhangers."

Een directe bandgap is een ideale eigenschap om een ​​elektron in een geleidende energietoestand te exciteren om de stroom van elektriciteit mogelijk te maken. Halfgeleidertechnologie, bijvoorbeeld, is afhankelijk van de manipulatie van elektronische lading op deze manier. Onlangs, spin en dal vrijheidsgraden zijn ook veelbelovend gebleken in 2D-materialen en kunnen worden gemanipuleerd om nieuwe soorten apparaten mogelijk te maken. Bijvoorbeeld, het oriënteren van meerdere spins in een materiaal kan leiden tot magnetisme, en het verdelen van elektronen over verschillende lokale minimale en maximale energietoestanden - valleien - die dezelfde energie hebben maar optreden met verschillende momentumwaarden, kan nieuwe manieren mogelijk maken om informatie te verwerken en op te slaan. Een sleutel tot het ontsluiten van het potentieel van deze eigenschappen is het kweken van defectvrije films, die alleen kan worden bereikt door atoomdefecten te identificeren en te begrijpen, zoals in dit werk is bereikt.

De defecten die het team ontdekte, staan ​​bekend als translationele korrelgrenzen, die optreden op het grensvlak tussen twee kristallieten met dezelfde oriëntatie maar een translatieverschuiving. Typisch, korrelgrenzen verbinden korrels met ongelijke oriëntaties en kunnen de materiaaleigenschappen beïnvloeden, zoals thermische en elektrische geleidbaarheid, hun waarde voor elektronica verminderen. Om de ongebruikelijke translatiekorrelgrenzen te onderzoeken, het team gebruikte een combinatie van scanning-transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming en een ReaxFF-simulatie van reactieve krachtvelden. ReaxFF is ontwikkeld door Adri van Duin, een vooraanstaande professor in de werktuigbouwkunde uit Penn State die ook aan het onderzoek deelnam.

Uit het onderzoek bleek dat de geïdentificeerde translatiekorrelgrenzen bestaan ​​als subtiele maar wijdverbreide onvolkomenheden in de monolaagfilms.

"Door een synergetische aanpak, we konden onze experimentele bevindingen verklaren met behulp van simulaties en het groeimechanisme blootleggen dat tot een dergelijke microstructuur leidt, "Alem zei. "Dit is een belangrijke stap, omdat door het leren van de onderliggende fysica van groei en defectvorming, we kunnen leren ze te wijzigen en te beheersen, en dit zal een diepgaand effect hebben op de elektronische eigenschappen van het kristal."

Verbetering van het materiaal zou leiden tot betere elektronica, volgens Reifsnyder Hickey.

"Dit onderzoek ontdekte de structuren experimenteel en gebruikte theorie en simulatie om hun vorming te correleren met de groeiomstandigheden, ' zei Reifsnyder Hickey. 'Nu, we willen graag toepassen wat we hebben geleerd, zodat deze verschuivingen in korrels kunnen worden geëlimineerd om echt monokristallijne films te vormen die groot genoeg zijn voor uitstekende elektronica. We willen ook de eigenschappen van deze en gerelateerde atoomdefecten onderzoeken."

In staat zijn om verbeterde elektronica te produceren op basis van wolfraamdisulfide monolaagfilms met minimale defecten is goed nieuws voor een steeds visuelere samenleving, volgens Reifsnyder Hickey.

"Een paar decennia geleden het was ongehoord om een ​​video op een telefoon te bekijken, " zei Reifsnyder Hickey. "Maar nu, we consumeren veel informatie visueel, vooral met video's, inclusief nieuws, communicatie en amusement. Omdat elektronica zo krachtig is geworden, we kunnen de apparaten die dit mogelijk maken gemakkelijk in onze zakken dragen. Onze bevindingen kunnen leiden tot een nieuwe generatie van dergelijke apparaten."

Andere Penn State-onderzoekers die bij het onderzoek betrokken waren, zijn onder meer Nadire Nayir, Michail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian en Vincent H. Crespi.