Sedan upptäckten 2003 av det enatomtjocka kolmaterialet som kallas grafen, Det har också funnits ett stort intresse för andra typer av 2D-material.

Dessa material kan staplas ihop som legoklossar för att bilda en rad enheter med olika funktioner, inklusive fungera som halvledare. På det här sättet, de kan användas för att skapa ultratunna, flexibel, transparenta och bärbara elektroniska enheter.

Dock, att separera ett bulkkristallmaterial i 2D-flingor för användning inom elektronik har visat sig vara svårt att göra i kommersiell skala.

Den befintliga processen, där enskilda flingor delas av från bulkkristallerna genom att upprepade gånger stämpla kristallerna på en självhäftande tejp, är opålitlig och tidskrävande, kräver många timmar för att skörda tillräckligt med material och bilda en enhet.

Nu har forskare vid institutionen för maskinteknik vid MIT utvecklat en teknik för att skörda 2-tums-diameter wafers av 2-D-material inom bara några minuter. De kan sedan staplas ihop till en elektronisk enhet inom en timme.

Tekniken, som de beskriver i en artikel publicerad i tidskriften Vetenskap , skulle kunna öppna upp möjligheten att kommersialisera elektroniska enheter baserade på en mängd olika 2D-material, enligt Jeehwan Kim, en docent vid institutionen för maskinteknik, som ledde forskningen.

Tidningens första författare var Sanghoon Bae, som var involverad i tillverkning av flexibel enhet, och Jaewoo Shim, som arbetade med staplingen av 2D-materialmonoskikten. Båda är postdoktorer i Kims grupp.

Tidningens medförfattare inkluderade också studenter och postdoktorer från Kims grupp, samt medarbetare på Georgia Tech, University of Texas, Yonsei University i Sydkorea, och University of Virginia. Sang-Hoon Bae, Jaewoo Shim, Wei Kong, och Doyoon Lee i Kims forskargrupp bidrog lika mycket till detta arbete.

"Vi har visat att vi kan göra monolager-för-monolager-isolering av 2-D-material i wafer-skala, " säger Kim. "För det andra, vi har visat ett sätt att enkelt stapla upp dessa wafer-skala monolager av 2-D-material."

Forskarna odlade först en tjock stapel av 2D-material ovanpå en safirskiva. De applicerade sedan en 600 nanometer tjock nickelfilm på toppen av stapeln.

Eftersom 2D-material vidhäftar mycket starkare till nickel än till safir, lyft av denna film gjorde det möjligt för forskarna att separera hela stapeln från wafern.

Vad mer, vidhäftningen mellan nickel och de individuella skikten av 2-D-material är också större än mellan vart och ett av skikten själva.

Som ett resultat, när en andra nickelfilm sedan lades till botten av stapeln, forskarna kunde skala av individuella, enatomtjocka monolager av 2D-material.

Det beror på att avskalning av den första nickelfilmen genererar sprickor i materialet som fortplantar sig ända till botten av stapeln, säger Kim.

När det första monoskiktet som samlats upp av nickelfilmen har överförts till ett substrat, processen kan upprepas för varje lager.

"Vi använder mycket enkel mekanik, och genom att använda detta kontrollerade sprickutbredningskoncept kan vi isolera monolager 2-D-material i waferskala, " han säger.

Den universella tekniken kan användas med en rad olika 2D-material, inklusive hexagonal bornitrid, volframdisulfid, och molybdendisulfid.

På så sätt kan den användas för att producera olika typer av monolager 2-D material, såsom halvledare, metaller, och isolatorer, som sedan kan staplas ihop för att bilda de 2D-heterostrukturer som behövs för en elektronisk enhet.

"Om du tillverkar elektroniska och fotoniska enheter med 2D-material, enheterna kommer att vara några enkla lager tjocka, " säger Kim. "De kommer att vara extremt flexibla, och kan stämplas på vad som helst, " han säger.

Processen är snabb och låg kostnad, gör den lämplig för kommersiell verksamhet, han lägger till.

Forskarna har också demonstrerat tekniken genom att framgångsrikt tillverka arrayer av fälteffekttransistorer i waferskala, med en tjocklek på bara några få atomer.

"Arbetet har stor potential att föra 2D-material och deras heterostrukturer mot verkliga tillämpningar, säger Philip Kim, professor i fysik vid Harvard University, som inte var involverad i forskningen.

Forskarna planerar nu att tillämpa tekniken för att utveckla en rad elektroniska enheter, inklusive en icke-flyktig minnesuppsättning och flexibla enheter som kan bäras på huden.

De är också intresserade av att tillämpa tekniken för att utveckla enheter för användning på "sakernas internet, " säger Kim.

"Allt du behöver göra är att odla dessa tjocka 2D-material, isolera dem sedan i monolager och stapla dem. Så det är extremt billigt - mycket billigare än den befintliga halvledarprocessen. Detta innebär att det kommer att ta med 2D-material på laboratorienivå till tillverkning för kommersialisering, " säger Kim.

"Det gör den perfekt för IoT-nätverk, för om du skulle använda konventionella halvledare för avkänningssystemen skulle det bli dyrt."