Väldigt små steg gör stor skillnad för forskare som vill skapa stora wafers av tvådimensionellt material.

Atomstora steg i ett substrat ger möjligheten för 2D-kristaller som växer i en kemisk ångugn att komma samman i perfekt rangordning. Forskare har nyligen observerat detta fenomen, och nu har en Rice University-grupp en idé om varför det fungerar.

Rismaterialteoretikern Boris Yakobson och forskaren Ksenia Bets ledde konstruktionen av simuleringar som visar atomstora steg på en tillväxtyta, eller substrat, har den anmärkningsvärda förmågan att hålla enskiktiga kristallöar i linje när de växer.

Om förutsättningarna är de rätta, öarna förenas till en större kristall utan de korngränser som är så karakteristiska för 2D-material som grafen som odlas via kemisk ångdeposition (CVD). Det bevarar deras elektroniska perfektion och egenskaper, som skiljer sig beroende på material.

Risteorin visas i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

Undersökningen fokuserade på hexagonal bornitrid (h-BN), aka vit grafen, en kristall som ofta odlas via CVD. Kristaller bildar kärnor på olika ställen på ett perfekt plant substratmaterial och inte nödvändigtvis i linje med varandra.

Dock, nyligen genomförda experiment har visat att tillväxt på närliggande substrat - ytor som verkar plana men som faktiskt har glesa, atomiskt små steg – kan rikta in kristallerna och hjälpa dem att smälta samman till en enda, enhetlig struktur, som rapporterats på arXiv. En medförfattare till rapporten och ledare för det koreanska teamet, Feng Ding, är en alumn från Yakobson-labbet och en nuvarande adjungerad professor vid Rice.

Men experimentalisterna visar inte hur det fungerar som, Yakobson sa, stegen är kända för att slingra sig och vara något felinställda.

"Jag gillar att jämföra mekanismen med ett "digitalt filter, ' här erbjuds av den diskreta naturen hos atomgitter, " sa han. "Den analoga kurvan som, med dess sluttningar, beskriver ett slingrande steg som "samplas och digitaliseras" av själva rutnätet av ingående atomrader, bryta kurvan i raka 1D-terrasssegment. Lutningen hjälper inte, men det gör inte ont. Förvånande, matchen kan bli bra; som ett väldesignat hus på en kulle, den står rakt.

"Teorin är enkel, även om det krävdes mycket hårt arbete för att beräkna och bekräfta komplementaritetsmatchningen mellan metallmallen och h-BN, nästan som för A-G-T-C-par i DNA-strängar, " sa Yakobson.

Det var oklart varför kristallerna smälte samman till en så bra tills simuleringar av Bets, med hjälp av medförfattare och Rice-student Nitant Gupta, visade hur h-BN "öar" förblir inriktade medan kärnbildning längs synligt krökta steg.

"En närliggande yta har steg som är något felinriktade inom det platta området, " sa Bets. "Den har stora terrasser, men ibland blir det en atomhöga trappsteg. Experimentalisternas trick var att anpassa dessa närliggande steg i en riktning."

Vid kemisk ångavsättning, en het gas av atomerna som kommer att bilda materialet strömmar in i kammaren, där de sätter sig på substratet och kärnbildar kristaller. h-BN-atomer på en vicinal yta föredrar att bosätta sig i kroken av stegen.

"De har det här fina hörnet där atomerna kommer att ha fler grannar, vilket gör dem gladare, " Sade bets. "De försöker anpassa sig till stegen och växa därifrån.

"Men från en fysiksynpunkt, det är omöjligt att ha en perfekt, atomiskt platt steg, " sa hon. "Förr eller senare, det blir små fördjupningar, eller kinks. Vi fann att på atomär skala, dessa veck i stegen hindrar inte h-BN från att anpassas om deras dimensioner är komplementära till h-BN-strukturen. Faktiskt, de hjälper till att säkerställa samorientering av öarna."

Eftersom stegen som Rice Lab modellerade är 1,27 ångström djupa (en ångström är en miljarddels meter), de växande kristallerna har små problem att ta sig över gränsen. "Dessa steg är mindre än bindningsavståndet mellan atomerna, " Sade Bets. "Om de var större, som två ångström eller högre, det skulle vara mer av en naturlig barriär, så parametrarna måste justeras noggrant."

Två växande öar som närmar sig varandra knyts ihop sömlöst, enligt simuleringarna. Liknande, sprickor som uppstår längs stegen läker lätt eftersom bindningarna mellan atomerna är tillräckligt starka för att övervinna det lilla avståndet.

Varje väg mot storskalig tillväxt av 2D-material är värd att följa för en armé av applikationer, enligt forskarna. 2D-material som ledande grafen, isolerande h-BN och halvledande dikalkogenider av övergångsmetall är alla i fokus för intensiv granskning av forskare runt om i världen. Risforskarna hoppas att deras teoretiska modeller kommer att visa vägen mot stora kristaller av många slag.