Sedan upptäckten av grafens anmärkningsvärda egenskaper, forskare har alltmer fokuserat forskningen på de många andra möjliga tvådimensionella materialen, både de som finns i naturen och kokade i labbet. Dock, växande hög kvalitet, kristallina 2D-material i skala har visat sig vara en betydande utmaning.

Ett par artiklar publicerade online i två nanoteknologiska tidskrifter denna månad ger grunden för att växa tvådimensionella kristaller i wafer-skala för framtida elektroniska enheter. I arbete ledd av Joan Redwing, direktör för det NSF-sponsrade Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform, och professor i materialvetenskap och teknik och elektroteknik, Penn State, forskare utvecklade en flerstegsprocess för att göra enkristall atomärt tunna filmer av volframdiselenid över safirsubstrat med stor yta.

"Ända tills nu, majoriteten av 2D-enheterna har tillverkats med små flingor som exfolieras av bulkkristaller, " sa Redwing. "För att utveckla en enhetsfärdig teknologi, du måste kunna göra enheter på substrat med stora ytor och de måste ha bra kristallkvalitet."

Processen använder safir som substrat på grund av dess kristallina struktur. Denna struktur orienterar filmtillväxten i ett kristallmönster i en process som kallas epitaxi. När små öar av materialet bildas på substratet och substratet värms upp, öarna sprids ut över substratet i ett enhetligt mönster och bildar en film med stor yta utan luckor och med mycket få defekter. Det viktigaste framsteg var användningen av gaskällans kemiska ångavsättning för att exakt kontrollera öns täthet och spridningshastighet för att uppnå ett enda lager av 2D-materialet.

De publicerade sina verk, "Diffusionskontrollerad epitaxi av stora areasammansammansatta WSe2-monolager på Sapphire, " i journalen Nanobokstäver .

I en relaterad tidning, "Att förverkliga storskalighet, Tvådimensionella halvledare av elektronisk kvalitet, " publicerad online i tidskriften ACS Nano , ett team ledd av Joshua Robinson, docent i materialvetenskap och teknik, Penn State, ger den grundläggande förståelsen för att möjliggöra enhetsförberedda syntetiska 2D-halvledare baserade på dessa epitaxiella filmer med stor yta i framtida elektronik i industriell skala.

"Den primära betydelsen av detta arbete är att vi kunde uppnå en förståelse för de yttre faktorerna som ingår i att ha ett högkvalitativt 2D-material, "Sa Robinson. "Vad vi fann var att även när du odlar orienterade kristaller på en yta, Det finns andra faktorer som påverkar förmågan att få hög elektronmobilitet eller snabba transistorer."

Särskilt, de fann att det finns en stark interaktion mellan safirsubstratet och monolagerfilmen, med substratet som dominerar egenskaperna. För att övervinna dessa utmaningar, forskarna växte två eller tre lager, vilket förbättrade prestandan med faktorer på 20-100 gånger.

"Detta är det första riktiga beviset på effekten av substratet på transportegenskaperna hos 2D-lager, sa Robinson.