(Phys.org) —Nanoingenjörsforskare vid Rice University och Nanyang Technological University i Singapore har avslöjat en potentiellt skalbar metod för att göra enatomtjocka lager av molybdendiselenid – en mycket eftertraktad halvledare som liknar grafen men har bättre egenskaper för att göra vissa elektroniska enheter som omkopplingsbara transistorer och lysdioder.

Metoden för att göra tvådimensionell molybdendiselenid använder en teknik som kallas kemisk ångdeposition (CVD) och beskrivs online i en ny artikel i American Chemical Society journal ACS Nano . Fyndet är betydande eftersom CVD används i stor utsträckning av halvledar- och materialindustrin för att göra tunna filmer av kisel, kolfibrer och andra material.

"Denna nya metod kommer att tillåta oss att utnyttja egenskaperna hos molybdendiselenid i ett antal tillämpningar, " sa studieledaren Pulickel Ajayan, ordförande för Rice institution för materialvetenskap och nanoteknik. "Till skillnad från grafen, som nu lätt kan göras i stora ark, många intressanta 2D-material är fortfarande svåra att syntetisera. Nu när vi har ett stall, effektivt sätt att producera 2-D molybdendiselenid, vi planerar att utöka denna robusta procedur till andra 2D-material."

I Rice-studien, Ajayan och kollegor testade sina atomärt tunna lager av molybdendiselenid genom att bygga en fälteffekttransistor (FET), en vanlig enhet inom mikroelektronikindustrin. Tester av FET fann att de elektroniska egenskaperna hos molybdendiselenidskikten var betydligt bättre än hos molybdendisulfid; det senare är ett liknande material som har studerats mer omfattande eftersom det var lättare att tillverka. Till exempel, FET-testerna fann att elektronrörligheten för Rice's molybdendiselenid var högre än för CVD-odlad, molybdendisulfid.

I fasta tillståndets fysik, elektronmobilitet hänvisar till hur snabbt elektroner passerar genom en metall eller halvledare i närvaro av ett elektriskt fält. Material med hög elektronrörlighet föredras ofta för att minska strömförbrukningen och uppvärmningen i mikroelektroniska enheter.

"Att kunna tillverka 2D-material på ett kontrollerat sätt kommer verkligen att påverka vår förståelse och användning av deras fascinerande egenskaper, " sa studiens medförfattare Emilie Ringe, biträdande professor i materialvetenskap och nanoteknik och i kemi vid Rice. "Att känneteckna både strukturen och funktionen hos ett material, som vi har gjort i denna tidning, är avgörande för sådana framsteg."

Molybdendiselenid och molybdendisulfid tillhör vardera en klass av material som kallas övergångsmetalldikalkogenider; TMDC heter så eftersom de består av två element, en övergångsmetall som molybden eller volfram och en "kalkogen" som svavel, selen eller tellur.

TMDC har väckt stort intresse från materialforskare eftersom de har en atomstruktur som liknar grafen, de rena carbon wonder material som lockade 2010 års Nobelpris i fysik. Grafen och liknande material kallas ofta för tvådimensionella eftersom de bara är en atom tjocka. Grafen har extraordinära elektroniska egenskaper. Till exempel, dess elektronrörlighet är tiotusentals gånger större än för TMDC.

Dock, tvådimensionella TMDCs som molybdendiselenid har väckt stort intresse eftersom deras elektroniska egenskaper är komplementära till grafen. Till exempel, ren grafen har inget bandgap – en användbar elektronisk egenskap som ingenjörer kan utnyttja för att göra FET:er som lätt kan slås på och av.

Som med många nanomaterial, forskare har funnit att de fysiska egenskaperna hos TMDC ändras markant när materialet har egenskaper i nanoskala. Till exempel, en platta av molybdendiselenid som är till och med en mikron tjock har ett "indirekt" bandgap medan ett tvådimensionellt ark av molybdendiselenid har ett "direkt" bandgap. Skillnaden är viktig för elektronik eftersom material med direkt bandgap kan användas för att göra omkopplingsbara transistorer och känsliga fotodetektorer.

"En av drivkrafterna i Rices institution för materialvetenskap och nanoteknik är de nära samarbeten som utvecklas mellan de människor som är fokuserade på syntes och de av oss som arbetar med karaktärisering, sa Ringe, som började på Rices fakultet i januari. "Vi hoppas att detta blir början på en serie nya protokoll för att på ett tillförlitligt sätt syntetisera en mängd olika 2D-material."