År 2013 James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering, och kollegor vid Columbia visade att de dramatiskt kunde förbättra prestanda för grafen-mycket ledande tvådimensionellt (2D) kol-genom att inkapsla det i bornitrid (BN), ett isolerande material med en liknande skiktstruktur.

I arbete som publicerades i veckan i Advance Online Publication den Naturnanoteknik hemsida, forskare vid Columbia Engineering, Harvard, Cornell, University of Minnesota, Yonsei University i Korea, Danska tekniska universitetet, och det japanska nationella institutet för materialvetenskap har visat att prestanda för ett annat 2D -material - molybden -disulfid (MoS ₂ ) —Kan förbättras på samma sätt med BN-inkapsling.

"Dessa fynd ger en demonstration av hur man studerar allt 2D -material, "säger Hone, ledare för denna nya studie och chef för Columbia's NSF-finansierade Materials Research Science and Engineering Center. "Vår kombination av BN- och grafenelektroder är som ett" uttag "i vilket vi kan placera många andra material och studera dem i en extremt ren miljö för att förstå deras sanna egenskaper och potential. Detta har stora löften för ett brett spektrum av applikationer, inklusive hög -prestandaelektronik, upptäckt och utsläpp av ljus, och kemisk/biokännande. "

Tvådimensionella (2D) material skapade genom att "skala" atomiskt tunna lager från bulkkristaller är extremt töjbara, optiskt transparent, och kan kombineras med varandra och med konventionell elektronik på helt nya sätt. Men dessa material - där alla atomer är på ytan - är till sin natur extremt känsliga för sin miljö, och deras prestanda faller ofta långt ifrån teoretiska gränser på grund av kontaminering och instängda laddningar i omgivande isolerande lager. Den BN-inkapslade grafen som Hones grupp producerade förra året har 50 × förbättrad elektronisk mobilitet-ett viktigt mått på elektronisk prestanda-och lägre störning som möjliggör studier av rika nya fenomen vid låg temperatur och höga magnetfält.

"Vi ville se vad vi kan göra med MoS ₂ -det är den bäst studerade 2D-halvledaren, och, till skillnad från grafen, den kan bilda en transistor som kan stängas av helt, en egenskap som är avgörande för digitala kretsar, "konstaterar Gwan-Hyoung Lee, medförfattare på tidningen och biträdande professor i materialvetenskap vid Yonsei. Förr, MoS2 -enheter tillverkade på vanliga isolerande substrat som kiseldioxid har visat rörlighet som faller under teoretiska förutsägelser, varierar från prov till prov, och förblir låg vid kylning till låga temperaturer, alla tecken på ett stört material. Forskare har inte vetat om störningen berodde på substratet, som i fallet med grafen, eller på grund av brister i själva materialet.

I det nya arbetet, Hones team skapade heterostrukturer, eller skiktade staplar, av MoS ₂ inkapslad i BN, med små flingor av grafen som överlappar kanten av MoS ₂ att fungera som elektriska kontakter. De fann att rumstemperaturrörligheten förbättrades med en faktor på cirka 2, närmar sig den inneboende gränsen. Vid kylning till låg temperatur, rörligheten ökade dramatiskt, nå värden 5-50 × som de som mätts tidigare (beroende på antalet atomlager). Som ett ytterligare tecken på låg oordning, dessa prover med hög mobilitet visade också starka oscillationer i motstånd med magnetfält, som inte tidigare setts i någon 2D -halvledare.

"Den här nya enhetsstrukturen gör att vi för första gången kan studera kvanttransportbeteende i detta material vid låg temperatur, "tillade doktorand från Columbia Engineering Xu Cui, tidningens första författare.

Genom att analysera lågtemperaturmotståndet och kvantoscillationer, laget kunde dra slutsatsen att den främsta källan till störning är kontaminering vid gränssnitten, vilket indikerar att ytterligare förbättringar är möjliga.

"Detta arbete motiverar oss att ytterligare förbättra våra monteringstekniker för enheter, eftersom vi ännu inte har nått gränsen för detta material, "Hone säger." Med ytterligare framsteg, Vi hoppas kunna etablera 2D-halvledare som en ny familj av elektroniska material som konkurrerar med prestanda för konventionella halvledar-heterostrukturer-men skapas med hjälp av skottejp på en labbänk istället för dyra högvakuumsystem. "