Halvledare, metaller och isolatorer måste integreras för att göra transistorerna som är de elektroniska byggstenarna i din smartphone, dator och andra mikrochipaktiverade enheter. Dagens transistorer är små - bara 10 nanometer breda - och formade av tredimensionella (3D) kristaller.

Men en ny störande teknologi hägrar som använder tvådimensionella (2D) kristaller, bara 1 nanometer tjock, för att möjliggöra ultratunn elektronik. Forskare över hela världen undersöker 2D-kristaller gjorda av vanliga skiktade material för att begränsa elektrontransport inom bara två dimensioner. Forskare hade tidigare hittat sätt att litografiskt mönstra enstaka lager av kolatomer som kallas grafen till bandliknande "trådar" komplett med isolering som tillhandahålls av ett liknande lager av bornitrid. Men hittills har de saknat syntes- och bearbetningsmetoder för att litografiskt mönstra kopplingar mellan två olika halvledare inom ett enda nanometertjockt lager för att bilda transistorer, byggstenarna i ultratunna elektroniska enheter.

Nu för första gången, forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har kombinerat en ny syntesprocess med kommersiell elektronstrålelitografiteknik för att producera arrayer av halvledarövergångar i godtyckliga mönster inom en enda, nanometertjock halvledarkristall. Processen bygger på att transformera mönstrade regioner av en befintlig, enskiktskristall till en annan. Forskarna blev singel först, nanometertjocka lager av molybdendiselenidkristaller på substrat och avsatte sedan skyddande mönster av kiseloxid med hjälp av standardlitografitekniker. Sedan bombarderade de de exponerade områdena av kristallerna med en lasergenererad stråle av svavelatomer. Svavelatomerna ersatte selenatomerna i kristallerna för att bilda molybdendisulfid, som har en nästan identisk kristallstruktur. De två halvledarkristallerna bildade skarpa förbindelser, elektronikens önskade byggstenar. Naturkommunikation rapporterar prestationen.

"Vi kan bokstavligen göra vilken typ av mönster vi vill, sa Masoud Mahjouri-Samani, som ledde studien tillsammans med David Geohegan. Geohegan, chef för ORNL:s Nanomaterials Synthesis and Functional Assembly Group vid Center for Nanophase Materials Sciences, är huvudutredare för ett grundläggande vetenskapsprojekt vid Institutionen för energi som fokuserar på tillväxtmekanismer och kontrollerad syntes av nanomaterial. Miljontals 2D-byggklossar med många mönster kan göras samtidigt, Mahjouri-Samani lade till. I framtiden, det kan vara möjligt att producera olika mönster på toppen och botten av ett ark. Ytterligare komplexitet skulle kunna införas genom att skikta ark med olika mönster.

Lade till Geohegan, "Utvecklingen av en skalbar, lätt implementerad process för att litografiskt mönstra och enkelt bilda laterala halvledande heterojunctions inom tvådimensionella kristaller uppfyller ett kritiskt behov av "byggstenar" för att möjliggöra nästa generations ultratunna enheter för applikationer som sträcker sig från flexibel konsumentelektronik till solenergi."

Justera bandgapet

"Vi valde pulsad laseravsättning av svavel på grund av den digitala kontroll som den ger dig över flödet av materialet som kommer till ytan, ", sa Mahjouri-Samani. "Du kan i princip göra vilken mellanlegering som helst. Du kan bara byta ut, säga, 20 procent av selenet med svavel, eller 30 procent, eller 50 procent." Lade till Geohegan, "Pulsad laseravsättning låter också den kinetiska energin hos svavelatomerna stämmas, så att du kan utforska ett bredare utbud av bearbetningsförhållanden."

Det är viktigt att genom att kontrollera förhållandet mellan svavel och selen i kristallen, forskarna kan justera bandgapet för halvledarna, ett attribut som bestämmer elektroniska och optiska egenskaper. För att tillverka optoelektroniska enheter som elektroluminiscerande displayer, mikrochiptillverkare integrerar halvledare med olika bandgap. Till exempel, molybdendisulfids bandgap är större än molybdendiselenids. Att applicera spänning på en kristall som innehåller båda halvledarna får elektroner och "hål" (positiva laddningar som skapas när elektroner utryms) att flytta från molybdendisulfid till molybdendiselenid och rekombinera för att avge ljus vid bandgapet av molybdendiselenid. Av den anledningen, konstruktion av bandgaperna i monolagersystem kan tillåta generering av ljus med många olika färger, samt möjliggöra andra applikationer som transistorer och sensorer, sa Mahjouri-Samani.

Därefter kommer forskarna att se om deras pulsade laserförångnings- och omvandlingsmetod kommer att fungera med andra atomer än svavel och selen. "Vi försöker göra mer komplexa system i ett 2D-plan – integrera fler ingredienser, sätt in olika byggstenar – för i slutet av dagen, en komplett fungerande enhet behöver olika halvledare och metaller och isolatorer, " sa Mahjouri-Samani.

För att förstå processen att omvandla en nanometertjock kristall till en annan, forskarna använde kraftfulla elektronmikroskopifunktioner tillgängliga på ORNL, särskilt atomupplösning Z-kontrast scanning transmissionselektronmikroskopi, som utvecklades i labbet och är nu tillgänglig för forskare över hela världen med hjälp av Center for Nanophase Materials Sciences. Genom att använda denna teknik, elektronmikroskopister Andrew Lupini och gästforskare Leonardo Basile avbildade hexagonala nätverk av enskilda kolumner av atomer i de nanometertjocka molybdendiselenid- och molybdendisulfidkristallerna.

"Vi kunde direkt skilja mellan svavel- och selenatomer genom deras intensitet i bilden, " Sade Lupini. "Dessa bilder och elektronenergiförlustspektroskopi gjorde det möjligt för teamet att karakterisera halvledarheteroövergången med atomär precision."