Forskare vid Penn State's Center for Two-Dimensional and Layered Materials och University of Texas i Dallas har visat förmågan att växa med hög kvalitet, enskiktsmaterial ovanpå varandra med kemisk ångavsättning. Denna mycket skalbara teknik, används ofta i halvledarindustrin, kan producera nya material med unika egenskaper som kan appliceras på solceller, ultrakondensatorer för energilagring, eller avancerade transistorer för energieffektiv elektronik, bland många andra applikationer.

"Människor har försökt stapla dessa skiktade material med hjälp av tejpmetoden (en exfolieringsmetod utvecklad av Nobelpristagarna Novoselov och Geim för att producera grafen), men som lämnar rester på lagren och är inte skalbar, " förklarar Joshua Robinson från Penn State, motsvarande författare på en nyligen publicerad artikel online i ACS Nano . Andra grupper har använt den kemiska ångavsättningsmetoden för att odla skiktade material på ett kopparsubstrat, men denna metod kräver några sofistikerade tekniker för att överföra det skiktade materialet till ett mer funktionellt substrat utan att orsaka revor eller kontaminering.

Robinson och hans kollegor använde en mer direkt metod, använda kemisk ångavsättning för att odla ett lager av kvasi-fristående epitaxiell grafen (QFEG) på ett kiselkarbidsubstrat, följt av ett lager av molybdendisulfid (MoS2), en metalldikalkogenidförening som ofta används som smörjmedel. För att testa kvaliteten på MoS2 på grafen, forskarna använde materialet för att bygga en fotodetektoranordning för att mäta det skiktade materialets effektivitet vid omvandling av fotoner till elektroner. De fann att svaret från MoS2/QFEG-materialet var 100 gånger högre än MoS2 enbart.

För enheter, QFEG-metoden, som inför ett lager av väteatomer mellan substratet och grafenet och därigenom frikopplar grafenskiktet från den underliggande kiselkarbiden, visade sig vara ett bättre val än den mer vanliga grafenen som odlats. Robinson säger, "I allmänhet är QFEG mer intressant, och från en enhetssynpunkt, det är kritiskt."

För att se om kvasi-fristående grafen var en lämplig mall för tillväxt av andra artificiellt staplade atomlager, teamet syntetiserade två andra van der Waals fasta ämnen:volframdiselenid, och hexagonal bornitrid. (van der Waals fasta ämnen har stark bindning i planet men svag bindning mellan skikten.) De fastställde att epitaxiell grafen var "en utmärkt kandidat för att bygga stora vdW-fasta ämnen som kommer att ha extraordinära egenskaper och prestanda."

Industrin har redan visat stort intresse för 2D-lagermaterial för RF-tillämpningar, lågeffekts- och lågkostnadshalvledare, och för skärmar på flexibla substrat. "Detta är det första steget, " säger Robinson. "För att verkligen kontrollera egenskaperna måste vi titta på en mängd olika system som skulle visa sig ha helt nya egenskaper när de staplas ihop."