Möjligheterna för det nya tvådimensionella fältet, ett-atomskiktstjocka material, inklusive men inte begränsat till grafen, framstår nästan obegränsat. I ny forskning, Materialforskare från Penn State rapporterar två upptäckter som ger ett enkelt och effektivt sätt att "stencilera" högkvalitativa 2D-material på exakta platser och övervinna ett hinder för deras användning i nästa generations elektronik.

År 2004, upptäckten av ett sätt att isolera ett enda atomlager av kol - grafen - öppnade en ny värld av 2D -material med egenskaper som inte nödvändigtvis finns i den välbekanta 3D -världen. Bland dessa material finns en stor grupp element - övergångsmetaller - som faller mitt i det periodiska systemet. När atomer av vissa övergångsmetaller, till exempel molybden, är skiktade mellan två lager av atomer från kalkogenidelementen, såsom svavel eller selen, resultatet är en treskiktsmacka som kallas en övergångsmetall-dikalkogenid. TMD har skapat ett stort intresse bland materialvetare på grund av deras potential för nya typer av elektronik, optoelektronik och beräkning.

"Det vi har fokuserat på i detta dokument är förmågan att göra dessa material över stora ytor av ett substrat på exakt de platser vi vill ha dem, "säger Joshua Robinson, docent i materialvetenskap och teknik. "Dessa material är av intresse för en mängd olika nästa generations elektronik, inte nödvändigtvis att ersätta kisel, men för att förstärka den nuvarande tekniken och i slutändan ta med nya chipfunktioner till kisel som vi aldrig haft tidigare. "

För att integrera TMD:er med kisel i transistorer, chipföretag måste ha en metod för att placera atomerna exakt där de behövs. Den metoden har inte varit tillgänglig förrän nu. I deras 2D -materialpapper, "Tillväxt i selektivt område och kontrollerad substratkoppling av övergångsmetalldikalkogenider, "Robinson och hans grupp demonstrerar, för första gången, en enkel metod för att göra exakta mönster av tvådimensionella material med hjälp av tekniker som alla nanotekniska laboratorier känner till.

"Det visar sig att processen är rakt fram, "Robinson förklarar." Vi snurrar fotoresist på provet i renrummet, som om vi ska börja göra en enhet. Det kan vara vilken som helst av ett antal polymerer som används vid nanofabrication. Vi utsätter det sedan för ultraviolett ljus i de önskade områdena, och vi utvecklar det som ett fotografi. Där polymeren utsattes för ljus, det tvättar bort, och vi rengör sedan ytan ytterligare med standard plasma-etsningsprocesser. 2D -materialen kommer bara att växa i de områden som har rengjorts. "

En andra enkel upptäckt som beskrivs i detta arbete som kan hjälpa till att främja området TMD -forskning innebär att övervinna den starka effekten ett substrat har på 2D -materialen som odlas ovanpå substratet. I detta fall, molybden -disulfid, en högt studerad halvledare TMD, odlades på ett safirsubstrat med användning av typiska pulverbaserade deponeringstekniker. Detta resulterade i att egenskaperna hos safir/molybden -disulfidgränssnittet styr de önskade egenskaperna hos molybden -disulfiden, vilket gör den olämplig för tillverkning av enheter.

"Vi behövde koppla bort effekterna av substratet på 2D -lagret utan att överföra lagren från safiren, "säger Robinson, "och så försökte vi helt enkelt dunka det odlade materialet i flytande kväve och dra ut det i luften för att" spricka "gränssnittet. Det visade sig att det var tillräckligt för att separera molybden-disulfiden från safiren och komma närmare den inneboende prestandan hos molybden -disulfiden. "

Processen är tillräckligt skonsam för att försvaga bindningarna som förbinder 2D -materialet med substratet utan att det helt frigörs. Den exakta mekanismen för att lossa bindningarna undersöks fortfarande, på grund av komplexiteten i denna "enkla process, "sa Robinson. De två materialen krymper i olika takt, vilket kan få dem att spricka isär, men det kan också bero på att det flytande kvävet bubblar när det förvandlas till gas, eller till och med kontakt med vattenånga i luften som bildar is på provet.

"Vi arbetar fortfarande med att förstå den exakta mekanismen, men vi vet att det fungerar riktigt bra, åtminstone med molybden -disulfid, "Säger Robinson.