(Phys.org) —I banbrytande ny forskning vid Columbia University, forskare har odlat högkvalitativa kristaller av molybdendisulfid (MoS2), världens tunnaste halvledare, och studerade hur dessa kristaller sys ihop i atomskala för att bilda kontinuerliga ark. Genom vackra bilder av slående symmetriska stjärnor och trianglar hundratals mikron tvärs över, de har avslöjat viktiga insikter om det nya materialets optiska och elektroniska egenskaper, som kan vara antingen ledande eller isolerande för att bilda den grundläggande "på-av-omkopplaren" för all digital elektronik. Studien publiceras den 5 maj, 2013, frågan om Naturmaterial .

"Vår forskning är den första som systematiskt undersöker vilka typer av fel som uppstår på grund av dessa stora tillväxter, och för att undersöka hur dessa defekter förändrar dess egenskaper, "säger James Hone, professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, som ledde studien. "Våra resultat kommer att hjälpa till att utveckla sätt att använda detta nya material i atomtunn elektronik som kommer att bli integrerade komponenter i en helt ny generation av revolutionerande produkter, till exempel flexibla solceller som överensstämmer med en bils kaross."

Detta tvärvetenskapliga samarbete från Energy Frontier Research Center vid Columbia University med Cornell Universitys Kavli Institute for Nanoscale Science fokuserade på molybdendisulfid på grund av dess potential att skapa allt från högeffektiva, flexibla solceller till anpassningsbara pekskärmar. Tidigare arbete från Columbia visade att monolager MoS2 har en elektronisk struktur som skiljer sig från bulkformen, och forskarna är glada över att utforska andra atomiskt tunna metaldikalkogenider, som borde ha lika intressanta egenskaper. MoS2 är i en klass av material som kallas övergångsmetalldykalkogenider, som kan vara metaller, halvledare, dielektrik, och till och med superledare.

"Detta material är det nyaste i en växande familj av tvådimensionella kristaller, "säger Arend van der Zande, en stipendiat vid Columbia Energy Frontier Research Center och en av tidningens tre huvudförfattare. "Graphene, ett enda ark kolatomer, är den tunnaste elektriska ledaren vi känner. Med tillsats av monoskikts molybden -disulfid och andra metalldikalkogenider, vi har alla byggstenar för modern elektronik som måste skapas i atomtunn form. Till exempel, vi kan nu tänka oss att smörja in två olika monoskiktsövergångsmetalldykalkogenider mellan lager av grafen för att göra solceller som bara är åtta atomer tjocka - 20 tusen gånger mindre än ett människohår! "

Fram till förra året, majoriteten av experimenten som studerade MoS2 gjordes med en process som kallades mekanisk exfoliering, som bara producerar prover bara några mikrometer i storlek. "Även om dessa små exemplar är bra för vetenskapliga studier, "konstaterar Daniel Chenet, en doktorsexamen i Hones laboratorium och en annan huvudförfattare, "de är alldeles för små för användning i alla tekniska tillämpningar. Att räkna ut hur man odlar dessa material i stor skala är avgörande."

För att studera materialet, forskarna förfinade en befintlig teknik för att växa sig stor, symmetriska kristaller upp till 100 mikron tvärs över, men bara tre atomer tjocka. "Om vi ​​kunde expandera en av dessa kristaller till tjockleken på ett ark plastfolie, det skulle vara tillräckligt stort för att täcka en fotbollsplan - och det skulle inte ha några feljusterade atomer, "säger Pinshane Huang, en doktorand i David Muller -labbet i Cornell och tidningens tredje huvudförfattare.

För användning i många applikationer, dessa kristaller måste sammanfogas till kontinuerliga ark som fläckar på ett täcke. Förbindelserna mellan kristallerna, kallas spannmålsgränser, kan vara lika viktiga som kristallerna själva för att bestämma materialets prestanda i stor skala. "Korngränserna blir viktiga i vilken teknik som helst, "säger Hone." Säg, till exempel, vi vill göra en solcell. Nu måste vi ha mätare av detta material, inte mikrometer, och det betyder att det kommer att finnas tusentals spannmålsgränser. Vi måste förstå vad de gör så att vi kan kontrollera dem. "

Teamet använde elektronmikroskopi med atomupplösning för att undersöka korngränserna för detta material, och såg linjer med felriktade atomer. När de väl visste var de skulle hitta spannmålsgränserna, och hur de såg ut, laget kunde studera effekten av en enda korngräns på egenskaperna hos MoS2. Att göra detta, de byggde små transistorer, den mest grundläggande komponenten i all elektronik, ur kristallerna och såg att singeln, defekt rad av atomer vid korngränserna kan drastiskt förändra de viktigaste elektroniska och optiska egenskaperna hos MoS2.

"Vi har gjort stora framsteg när det gäller att kontrollera tillväxten av detta nya" under "-nanomaterial och utvecklar nu tekniker för att integrera det i många nya tekniker, "Hone tillägger." Vi börjar bara skrapa på ytan av vad vi kan göra med dessa material och vad deras egenskaper är. Till exempel, vi kan enkelt ta bort detta material från tillväxtsubstratet och överföra det till valfri godtycklig yta, vilket gör att vi kan integrera det i stor skala, flexibel elektronik och solceller. "

Kristallsyntesen, optiska mätningar, elektroniska mätningar, och teori utfördes alla av forskargrupper vid Columbia Engineering. Tillväxten och de elektriska mätningarna gjordes av Hone lab inom maskinteknik; de optiska mätningarna utfördes i Tony Heinz -labbet i fysik. Den strukturella modelleringen och de elektroniska strukturberäkningarna utfördes av David Reichman -labbet i kemi. Elektronmikroskopi utfördes av atombildningsexperter i David Muller -labbet vid Cornell University's School of Applied and Engineering Physics, och Kavli Institute vid Cornell for Nanoscale Science.