Forskare vid Rice University och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har gått framåt mot målet om tvådimensionell elektronik med en metod för att kontrollera tillväxten av enhetliga atomlager av molybdendisulfid (MDS).

MDS, en halvledare, är en av en trilogi av material som behövs för att göra fungerande 2D elektroniska komponenter. De kan en dag vara grunden för tillverkningen av enheter så små att de skulle vara osynliga för blotta ögat.

Verket visas online den här veckan i Naturmaterial .

Rice labs av huvudutredaren Jun Lou, Pulickel Ajayan och Boris Yakobson, alla professorer vid universitetets avdelning för maskinteknik och materialvetenskap, samarbetade med Wigner Fellow Wu Zhou och stabsforskaren Juan-Carlos Idrobo vid ORNL i ett ovanligt initiativ som innefattade experimentellt och teoretiskt arbete.

Målen var att se om stora, hög kvalitet, atomärt tunna MDS-skivor kunde odlas i en ugn för kemisk ångavsättning (CVD) och för att analysera deras egenskaper. Förhoppningen är att MDS skulle kunna förenas med grafen, som inte har något bandgap, och hexagonal bornitrid (hBN), en isolator, att bilda fälteffekttransistorer, integrerade logiska kretsar, fotodetektorer och flexibel optoelektronik.

"För verkligt atomära kretsar, det här är viktigt, " sa Lou. "Om vi ​​får det här materialet att fungera, då kommer vi att ha en uppsättning material att leka med för komplett, komplicerade enheter."

Förra året, Lou och Ajayan avslöjade sin framgång med att skapa intrikata mönster av sammanflätning av grafen och hBN, bland dem bilden av Rices ugglamaskot. Men det saknades fortfarande en bit för att materialen skulle vara fullvärdiga partner i avancerade elektroniska applikationer. Då, forskarna var redan väl igång med sin studie av MDS som en halvledande lösning.

"Tvådimensionella material har tagit fart, "Ajayan sade. "Studien av grafen föranledde forskning i en hel del 2-D material; molybdendisulfid är bara en av dem. Väsentligen, vi försöker spänna över hela skalan av bandgap mellan grafen, som är en halvmetall, och bornitridisolatorn."

MDS skiljer sig från grafen och hBN eftersom det inte är precis platt. Grafen och hBN är platta, med uppsättningar av hexagoner som bildas av deras ingående atomer. Men medan MDS ser sexkantigt ut när det ses uppifrån, det är faktiskt en stack, med ett lager av molybdenatomer mellan två lager av svavelatomer.

Medförfattare Zheng Liu, en gemensam forskare i Lous och Ajayans labb, noterade Yakobson-gruppen förutspådde att MDS och kolatomer skulle binda. "Vi jobbar på det, " sa han. "Vi skulle vilja hålla ihop grafen och MDS (med hBN) till vad som skulle bli en roman, 2D-halvledarkomponent."

"Frågan nu är hur man sammanför allt 2D-material, " sa medförfattaren Sina Najmaei, en Rice-student. "De är väldigt olika arter och de odlas i väldigt olika miljöer."

Tills nyligen, Det har varit svårt att odla MDS i en användbar form. Metoden "Scotch tape" för att dra lager från ett bulkprov har prövats, men de resulterande materialen var inkonsekventa, sa Lou. Tidiga CVD-experiment producerade MDS med korn som var för små för att vara användbara för sina elektriska egenskaper.

Men i processen, forskarna märkte att "öar" av MDS tenderade att bildas i ugnen där defekter eller till och med dammbitar uppträdde på substratet. "Materialet är svårt att kärnbilda, till skillnad från hBN eller grafen, ", sa Najmaei. "Vi började lära oss att vi kunde kontrollera kärnbildningen genom att lägga till konstgjorda kanter på substratet, och nu växer det mycket bättre mellan dessa strukturer."

"Nu kan vi odla kornstorlekar så stora som 100 mikron, " sa Lou. Det handlar fortfarande bara om bredden på ett människohår, men i nanoskala, den är stor nog att arbeta med, han sa.

När Ajayan- och Lou-teamen väl kunde växa så stora MDS-arrayer, ORNL-teamet avbildade atomstrukturerna med hjälp av aberrationskorrigerad sveptransmissionselektronmikroskopi. Atomarrayen kan tydligt ses på bilderna och, mer viktigt, så kan de defekter som förändrar materialets elektroniska egenskaper.

"För att förbättra egenskaperna hos 2D-material, det är viktigt att först förstå hur de sätts ihop i en grundläggande skala, " Idrobo sa. "Vår mikroskopi anläggning på ORNL tillåter oss att se material på ett sätt som de aldrig har sett förut - ner till nivån för enskilda atomer."

Yakobson, en teoretisk fysiker, och hans team är specialiserade på att analysera samspelet mellan energi på atomär skala. Med ORNLs bilder i handen, de kunde inte bara beräkna energierna för en mycket mer komplex uppsättning defekter än vad som finns i grafen eller BN utan kunde också matcha deras antal med bilderna.

Bland Yakobson-teamets intressanta fynd var förekomsten, rapporterade förra året, av ledande subnano-"trådar" längs korngränserna i MDS. Enligt deras beräkningar, effekten inträffade endast när korn möttes i exakta 60 graders vinklar. ORNL-elektronmikroskopbilderna gör det möjligt att se dessa korngränser direkt.

Risforskarna ser många möjliga sätt att kombinera materialen, inte bara i tvådimensionella lager utan också som tredimensionella staplar. "Naturliga kristaller är gjorda av strukturer bundna av van der Waals kraft, men de är alla av samma sammansättning, " sa Lou. "Nu har vi möjlighet att bygga 3D-kristaller med olika kompositioner."

"Det här är väldigt olika material, med olika elektroniska egenskaper och bandgap. Att lägga det ena ovanpå det andra skulle ge oss en ny typ av material som vi kallar van der Waals solids, " sa Ajayan. "Vi kan sätta ihop dem i vilken staplingsordning vi än behöver, vilket skulle vara ett intressant nytt tillvägagångssätt inom materialvetenskap.