Efter sex års hårt arbete, en grupp materialforskare från University of Wisconsin-Madison tror att de små arken av den halvledare zinkoxiden de odlar kan ha enorma konsekvenser för framtiden för en mängd elektroniska och biomedicinska enheter.

Gruppen - under ledning av Xudong Wang, en UW-Madison professor i materialvetenskap och teknik, och postdoktor Fei Wang-har utvecklat en teknik för att skapa nästan tvådimensionella ark av föreningar som inte naturligt bildar så tunna material. Det är första gången en sådan teknik har varit framgångsrik.

Forskarna beskrev sina fynd i tidskriften Naturkommunikation den 20 januari.

I huvudsak den mikroskopiska motsvarigheten till ett enda pappersark, ett 2-D nanoskikt är ett material som bara är några atomer tjockt. Nanomaterial har unika elektroniska och kemiska egenskaper jämfört med identiskt sammansatta material vid större, konventionella vågar.

"Det som är trevligt med ett 2-D-nanomaterial är att för att det är ett ark, det är mycket lättare för oss att manipulera jämfört med andra typer av nanomaterial, "säger Xudong Wang.

Tills nu, materialforskare var begränsade till att arbeta med naturligt förekommande 2-D-nanoskikt. Dessa naturliga 2-D-strukturer inkluderar grafen, ett enda lager grafit, och ett begränsat antal andra föreningar.

Att utveckla en tillförlitlig metod för att syntetisera och tillverka 2-D nanoskikt från andra material har varit ett mål för materialforskare och nanoteknikindustrin i åratal.

I deras teknik, UW-Madison-teamet applicerade ett speciellt formulerat ytaktivt medel-ett tvättmedelliknande ämne-på ytan av en vätska som innehåller zinkjoner.

På grund av dess kemiska egenskaper, det ytaktiva ämnet samlas i ett enda skikt vid vätskans yta, med negativt laddade sulfatjoner riktade i vätskans riktning. Dessa sulfatjoner drar de positivt laddade zinkjonerna inifrån vätskan till ytan, och inom ett par timmar upprättas tillräckligt med zinkjoner för att bilda kontinuerliga nanoskikt av zinkoxid med bara några atomskikt tjocka.

Xudong Wang fick först idén att använda ett ytaktivt medel för att odla nanoskikt under en föreläsning han höll i en kurs om nanoteknik 2009.

"Kursen innehåller en föreläsning om självmontering av monoskikt, "säger han." Under rätt förhållanden, ett ytaktivt ämne monteras själv för att bilda ett monoskikt. Detta är en välkänd process som jag undervisar i klassen. Så medan du undervisar i detta, Jag undrade varför vi inte skulle kunna vända den här metoden och använda det ytaktiva monoskiktet först för att odla det kristallina ansiktet. "

Efter fem års försök och fel med olika ytaktiva lösningar, idén gav resultat.

"Vi är mycket glada över det här, "säger Xudong Wang." Detta är definitivt ett nytt sätt att tillverka 2-D nanosheets, och det har stor potential för olika material och för många olika applikationer. "

Redan, forskarna har funnit att de 2-D-zinkoxid-nanoskikten de har odlat kan fungera som halvledartransistorer som kallas p-typ, det motsatta elektroniska beteendet hos naturligt förekommande zinkoxid. Forskare har under en tid försökt producera zinkoxid med tillförlitliga halvledaregenskaper av p-typ.

Zinkoxid är en mycket användbar komponent i elektroniska material, och de nya nanoskikten har potential för användning i sensorer, givare och optiska enheter.

Men zinkoxid-nanoskikten är bara det första av vad som kan vara en revolution inom 2-D-nanomaterial. Redan, UW-Madison-teamet tillämpar sin ytaktiva metod för att odla 2-D nanoskikt av guld och palladium, och tekniken lovar att odla nanoskikt från alla slags metaller som inte skulle bilda dem naturligt.

"Det ger mycket nytt funktionellt material till denna 2-D materialkategori, "Säger Wang.