(Phys.org) – Forskare vid North Carolina State University har utvecklat en ny teknik för att skapa högkvalitativa tunna halvledarfilmer i atomär skala – vilket betyder att filmerna bara är en atom tjocka. Tekniken kan användas för att skapa dessa tunna filmer i stor skala, tillräckligt för att belägga oblat som är två tum breda, eller större.

"Detta skulle kunna användas för att skala nuvarande halvledarteknik ner till atomär skala – lasrar, ljusemitterande dioder (LED), datorchip, något, " säger Dr Linyou Cao, en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid NC State och senior författare till en artikel om arbetet. "Folk har pratat om det här konceptet under lång tid, men det var inte möjligt. Med denna upptäckt, Jag tror att det är möjligt."

Forskarna arbetade med molybdensulfid (MoS2), ett billigt halvledarmaterial med elektroniska och optiska egenskaper liknande material som redan används i halvledarindustrin. Dock, MoS2 skiljer sig från andra halvledarmaterial eftersom det kan "odlas" i lager med endast en atomtjocklek utan att kompromissa med dess egenskaper.

I den nya tekniken, forskare placerar svavel- och molybdenkloridpulver i en ugn och höjer gradvis temperaturen till 850 grader Celsius, som förångar pulvret. De två ämnena reagerar vid höga temperaturer och bildar MoS2. Medan det fortfarande är under höga temperaturer, ångan avsätts sedan i ett tunt lager på substratet.

"Nyckeln till vår framgång är utvecklingen av en ny tillväxtmekanism, en självbegränsande tillväxt, " säger Cao. Forskarna kan exakt kontrollera tjockleken på MoS2-skiktet genom att kontrollera partialtrycket och ångtrycket i ugnen. Partialtrycket är tendensen hos atomer eller molekyler suspenderade i luften att kondensera till ett fast ämne och sedimentera på substratet Ångtryck är tendensen hos fasta atomer eller molekyler på substratet att förångas och stiga upp i luften.

För att skapa ett enda lager av MoS2 på substratet, partialtrycket måste vara högre än ångtrycket. Ju högre partialtryck, desto fler lager av MoS2 kommer att lägga sig till botten. Om partialtrycket är högre än ångtrycket för ett enda lager av atomer på substratet, men inte högre än ångtrycket för två lager, balansen mellan partialtrycket och ångtrycket kan säkerställa att tunnfilmstillväxten automatiskt stoppar när monoskiktet har bildats. Cao kallar denna "självbegränsande" tillväxt.

Partialtrycket styrs genom att justera mängden molybdenklorid i ugnen – ju mer molybden är i ugnen, ju högre partialtryck.

"Med den här tekniken, vi kan skapa moS2 monolager tunna filmer i wafer-skala, en atom tjock, varje gång, " säger Cao. "Vi kan också producera lager som är två, tre eller fyra atomer tjocka."

Caos team försöker nu hitta sätt att skapa liknande tunna filmer där varje atomlager är gjord av olika material. Cao arbetar också med att skapa fälteffekttransistorer och lysdioder med hjälp av tekniken. Cao har lämnat in patent på den nya tekniken.

Pappret, "Kontrollerad skalbar syntes av uniform, Högkvalitativa monolager- och fålagers MoS2-filmer, " publicerades online den 21 maj i Vetenskapliga rapporter , en tidskrift från Nature Publishing Group.