På tunnelbanestationer runt London, varningen till "Mind the Gap" hjälper pendlare att inte kliva in i tomma utrymmen när de lämnar tåget. När det gäller konstruktion av enskiktiga atomstrukturer, minding the gap kommer att hjälpa forskare att skapa konstgjorda elektroniska material ett atomlager i taget.

Gapet är ett mycket litet vakuum som bara kan ses under ett högeffekttransmissionselektronmikroskop. Gapet, forskare vid Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) tror, är en energibarriär som hindrar elektroner från att lätt passera från ett materiallager till nästa.

"Det är ett naturligt isolerande lager Moder Natur inbyggt i dessa artificiellt skapade material, sa Joshua Robinson, biträdande professor i materialvetenskap och teknik och biträdande chef för 2DLM Center. "Vi försöker fortfarande förstå hur elektroner rör sig vertikalt genom dessa skiktade material, och vi tänkte att det borde ta mycket mindre energi. Tack vare en kombination av teori och experiment, vi vet nu att vi måste ta hänsyn till denna lucka när vi designar nya material."

För första gången, forskarna från Penn State odlade ett enda atomlager av volframdiselenid på ett en atomtjockt substrat av grafen med orörda gränssnitt mellan de två lagren. När de försökte lägga en spänning från det översta volframdiselenidskiktet (WSe2) ner till grafenskiktet, de mötte förvånansvärt mycket motstånd. Ungefär hälften av motståndet orsakades av gapet, som införde en stor barriär, ca 1 elektronvolt (1eV), till elektronerna som försöker röra sig mellan lagren. Denna energibarriär kan visa sig användbar för att designa nästa generations elektroniska enheter, såsom vertikala tunnlingsfälteffekttransistorer, sa Robinson.

Intresset för dessa van der Waals-material uppstod med upptäckten av metoder för att göra enskiktsgrafit genom att använda Scotch-tejp för att mekaniskt klyva ett enatomtjockt lager av kol som kallas grafen från bulkgrafit. Van der Waals-kraften som binder samman lager av grafit är tillräckligt svag för att tillåta strippning av det enda atomskiktet. Penn State-forskarna använder en annan, mer skalbar metod, kallas kemisk ångavsättning, att deponera ett enda lager av kristallin WSe2 ovanpå några lager epitaxiell grafen som odlas från kiselkarbid. Även om grafenforskningen exploderade under det senaste decenniet, det finns många van der Waal fasta ämnen som kan kombineras för att skapa helt nya konstgjorda material med ofattbara egenskaper.

I en tidning som publicerades online denna månad i Nanobokstäver , Penn State-teamet och kollegor från UT Dallas, Naval Research Laboratory, Sandia National Lab, och laboratorier i Taiwan och Saudiarabien, upptäckte att volframdiselenidlagret växte i perfekt inriktade triangulära öar 1-3 mikron i storlek som långsamt smälte samman till en enda kristall upp till 1 centimeter i kvadrat. Robinson tror att det kommer att vara möjligt att odla dessa kristaller till industriellt användbara wafer-skala storlekar, men kommer att kräva en större ugn än vad han för närvarande har i sitt labb.

"En av de riktigt intressanta sakerna med denna klyfta, Robinson sa, "är att det tillåter oss att växa i linje med lager trots att atomerna i grafenet inte är i linje med atomerna i volframdiseleniden. Faktum är att det finns en 23-procentig gittermissmatch, vilket är enormt. Moder Natur slappnade verkligen av reglerna när det gäller dessa stora skillnader i atomavstånd."

Huvudförfattaren på Nanobokstäver papper är Yu-Chuan Lin, en doktorand i Robinsons labb. Andra Penn State medförfattare var Ram Krishna Ghosh, en postdoktor i elektroteknik (EE) som använde datormodellering för att hjälpa teamet att förstå energibarriären, Jie Li, postdoktor i EE, Theresa S. Mayer och Suman Datta, professorer i EE och Robinson, som tillsammans med Lain-Jong Li från Institute of Atomic and Molecular Sciences, Taiwan, var motsvarande författare. I en sällsynt bit av serendipity, Jeremy Robinson, en forskare vid Naval Research Laboratory och Joshua Robinsons bror, var också medförfattare på tidningen. Robert Wallace och hans studenter från University of Texas i Dallas gav TEM-bilder.