grafen, ett enatomtjockt gitter av kolatomer, utses ofta som en ersättning för kisel i elektroniska enheter på grund av dess extremt höga ledningsförmåga och oslagbara tunnhet. Men grafen är inte det enda tvådimensionella materialet som skulle kunna spela en sådan roll.

Forskare från University of Pennsylvania har gjort framsteg när det gäller att tillverka ett sådant material, molybdendisulfid. Genom att odla flingor av materialet runt "frön" av molybdenoxid, de har gjort det lättare att kontrollera storleken, tjocklek och placering av materialet.

Till skillnad från grafen, molybdendisulfid har ett energibandgap, vilket innebär att dess konduktivitet kan slås på och av. En sådan egenskap är kritisk för halvledarenheter som används i datoranvändning. En annan skillnad är att molybdendisulfid avger ljus, vilket innebär att den kan användas i applikationer som lysdioder, självrapporterande sensorer och optoelektronik.

Studien leddes av A. T. Charlie Johnson, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid Penns School of Arts &Sciences, och inkluderar medlemmar av hans labb, Gang Hee Han, Nicholas Kybert, Carl Naylor och Jinglei Ping. Ritesh Agarwal bidrog också till studien, professor i materialvetenskap och teknik vid Penns School of Engineering and Applied Science; medlemmar av hans labb, Bumsu Lee och Joohee Park; och Jisoo Kang, en masterstudent på Penns nanoteknikprogram. De samarbetade med forskare från Sydkoreas Sungkyunkwan University, Si Young Lee och Young Hee Lee.

Deras studie publicerades i tidskriften Naturkommunikation .

"Allt vi gör med vanlig elektronik skulle vi vilja kunna göra med tvådimensionella material, ", sa Johnson. "Graphene har en uppsättning egenskaper som gör det mycket attraktivt för elektronik, men det saknar denna kritiska egenskap, att kunna slå på och av. Molybedendisulfid ger dig det."

Grafens ultrahöga konduktivitet gör att det kan flytta elektroner snabbare än något känt material, men det är inte den enda kvaliteten som betyder något för elektroniken. För de transistorer som ligger till grund för modern datorteknik, att kunna stoppa flödet av elektroner är också kritiskt.

"Molybedendisulfid är inte lika ledande som grafen, " Naylor sa, "men den har ett mycket högt på/av-förhållande. Vi behöver 1:or och 0:or för att göra beräkningar; grafen kan bara ge oss 1:or och 0,5:or."

Andra forskargrupper har kunnat göra små flingor av molybdendisulfid på samma sätt som grafen först gjordes, genom att exfoliera den, eller skala av atomärt tunna lager från bulkmaterialet. På senare tid, andra forskare har anammat en annan teknik från grafentillverkning, kemisk ångavsättning, där molybdenet och svavlet upphettas till gaser och lämnas att sedimentera och kristallisera på ett substrat.

Problemet med dessa metoder är att de resulterande flingorna bildas på ett spridda sätt.

"Mellan jag jagar flingorna, sa Kybert, "och se till att de har rätt storlek och tjocklek, det skulle ta dagar att göra en enda mätning av deras egenskaper"

Penn-teamets framsteg var att utveckla ett sätt att kontrollera var flingorna bildas i den kemiska ångavsättningsmetoden, genom att "så" substratet med en prekursor.

"Vi börjar med att lägga ner en liten mängd molybdenoxid på de platser vi vill, " Naylor sa, "då strömmar vi in ​​svavelgas. Under rätt förhållanden, dessa frön reagerar med att svavel och flingor av molybdendisulfid kommer att växa."

"Det finns finess involverat i att optimera tillväxtförhållandena, "Johnson sa, "men vi utövar mer kontroll, flytta materialet i riktning mot att kunna göra komplicerade system. Eftersom vi odlar det där vi vill ha det, vi kan göra enheter lättare. Vi har alla andra delar av transistorerna i ett separat lager som vi knäpper ner ovanpå flingorna, gör dussintals och potentiellt till och med hundratals, enheter på en gång. Sedan kunde vi observera att vi gjorde transistorer som slogs på och av som de skulle och enheter som sänder ut ljus som de ska."

Att kunna matcha platsen för molybdendisulfidflingorna med motsvarande elektronik gjorde det möjligt för forskarna att hoppa över ett steg de måste ta när de tillverkar grafenbaserade enheter. Där, grafen odlas i stora ark och skärs sedan ner till storlek, en process som ökar risken för skadlig kontaminering.

Framtida arbete med dessa molybdendisulfidenheter kommer att komplettera forskargruppens forskning om grafenbaserade biosensorer; istället för att mata ut upptäckten av någon molekyl till en dator, molybdendisulfidbaserade sensorer kan direkt rapportera en bindande händelse genom en förändring i ljuset de avger.

Denna forskning representerar också första steg som kan tillämpas mot att tillverka en ny familj av tvådimensionella material.

"Vi kan ersätta molybdenet med volfram och svavlet med selen, " Naylor sa, "och gå bara ner i det periodiska systemet därifrån. Vi kan föreställa oss att odla alla dessa olika material på de platser vi väljer och dra fördelar av alla deras olika egenskaper."