Columbia Engineering-forskare har experimentellt för första gången visat att det är möjligt att elektriskt kontakta ett atomärt tunt tvådimensionellt (2D) material endast längs dess endimensionella (1D) kant, istället för att kontakta den från toppen, vilket har varit det konventionella tillvägagångssättet. Med denna nya kontaktarkitektur, de har utvecklat en ny monteringsteknik för skiktade material som förhindrar kontaminering vid gränssnitten, och, använder grafen som modell 2D-material, visa att dessa två metoder i kombination resulterar i den renaste grafen som hittills har realiserats. Studien publiceras i Vetenskap den 1 november, 2013.

"Detta är ett spännande nytt paradigm inom materialteknik där istället för det konventionella tillvägagångssättet att växa lager för lager, hybridmaterial kan nu tillverkas genom mekanisk sammansättning av ingående 2D-kristaller, " säger professor i elektroteknik Ken Shepard, medförfattare till tidningen. "Ingen annan grupp har lyckats uppnå en ren kantkontaktgeometri till 2D-material som grafen."

Han tillägger att tidigare ansträngningar har tittat på hur man kan förbättra "toppkontakter" genom ytterligare ingenjörskonst, som att lägga till dopämnen:"Vår nya kantkontaktgeometri ger effektivare kontakt än den konventionella geometrin utan behov av ytterligare komplex bearbetning. Det finns nu många fler möjligheter i jakten på både enhetsapplikationer och grundläggande fysikutforskningar."

Först isolerades 2004, grafen är det bäst studerade 2D-materialet och har varit föremål för tusentals artiklar som studerar dess elektriska beteende och utrustningstillämpningar. "Men i nästan allt detta arbete, prestandan hos grafen försämras av exponering för kontaminering, " konstaterar professor i maskinteknik James Hone som också är medförfattare till studien. "Det visar sig att problemen med förorening och elektrisk kontakt är kopplade. Allt högpresterande elektroniskt material måste kapslas in i en isolator för att skydda det från miljön. Grafen saknar förmågan att göra bindningar utanför planet, som försvårar elektrisk kontakt genom dess yta, men förhindrar också bindning till konventionella 3D-isolatorer som oxider. Istället, de bästa resultaten erhålls genom att använda en 2D-isolator, som inte behöver göra bindningar på sin yta. Dock, det har inte funnits något sätt att elektriskt komma åt ett helt inkapslat grafenark förrän nu."

I det här arbetet, säger Cory Dean, som ledde forskningen som postdoc vid Columbia och nu är biträdande professor vid City College of New York, teamet löste både kontakt- och kontamineringsproblem på en gång. "En av de största tillgångarna med 2D-material som grafen är att den bara är en atom tjock, vi har direkt tillgång till dess elektroniska egenskaper. På samma gång, detta kan vara en av dess värsta egenskaper eftersom detta gör materialet extremt känsligt för sin omgivning. All extern kontaminering försämrar snabbt prestandan. Behovet av att skydda grafen från oönskad störning, samtidigt som det tillåter elektrisk åtkomst, har varit den viktigaste vägspärren som förhindrar utvecklingen av grafenbaserad teknik. Genom att endast ta kontakt med 1D-kanten av grafen, vi har utvecklat ett fundamentalt nytt sätt att överbrygga vår 3D-värld till denna fascinerande 2D-värld, utan att störa dess inneboende egenskaper. Detta eliminerar praktiskt taget extern kontaminering och tillåter slutligen grafen att visa sin verkliga potential i elektroniska enheter."

Forskarna kapslade in 2D-grafenskiktet helt i en sandwich av tunna isolerande bornitridkristaller, använder en ny teknik där kristallskikt staplas en i taget. "Vår metod för att montera dessa heterostrukturer eliminerar helt all kontaminering mellan skikten, " Dean förklarar, "vilket vi bekräftade genom att tvärsnitta enheterna och avbilda dem i ett transmissionselektronmikroskop med atomupplösning."

När de väl skapat stacken, de etsade det för att exponera kanten på grafenlagret, och sedan avdunstade metall på kanten för att skapa den elektriska kontakten. Genom att ta kontakt längs kanten, teamet insåg ett 1D-gränssnitt mellan det aktiva 2D-skiktet och 3D-metallelektroden. Och, även om elektroner bara kom in vid 1D-atomkanten av grafenarket, kontaktmotståndet var anmärkningsvärt lågt, nå 100 ohm per mikron kontaktbredd – ett värde som är mindre än vad som kan uppnås för kontakter på grafenöverytan.

Med de två nya teknikerna - kontaktarkitekturen genom 1D-kanten och staplingsmetoden som förhindrar kontaminering vid gränssnitten - kunde teamet producera vad de säger är den "renaste grafenen som hittills har realiserats." Vid rumstemperatur, dessa enheter uppvisar tidigare ouppnåeliga prestanda, inklusive elektronrörlighet som är minst dubbelt så stor som alla konventionella 2D-elektronsystem, och arkresistivitet mindre än 40 ohm när tillräckliga laddningar tillförs arket genom elektrostatisk "gating". Otroligt, denna 2D-plåtresistans motsvarar en "bulk" 3D-resistivitet som är mindre än den för någon metall vid rumstemperatur. Vid låg temperatur, elektroner färdas genom teamets prover utan att spridas, ett fenomen som kallas ballistisk transport. ballistisk transport, hade tidigare observerats i prover nära en mikrometer stora, men detta arbete visar samma beteende i prover så stora som 20 mikrometer. "Än så länge är detta begränsat enbart av enhetsstorlek, säger Dean, "som indikerar att det sanna "inneboende" beteendet är ännu bättre."

Teamet arbetar nu med att tillämpa dessa tekniker för att utveckla nya hybridmaterial genom mekanisk montering och kantkontakt av hybridmaterial från hela sviten av tillgängliga 2D-lagermaterial, inklusive grafen, bornitrid, övergångsmetalldiklkogenider (TMDC), övergångsmetalloxider (TMOs), och topologiska isolatorer (TI). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).