Att skapa tvådimensionella material som är tillräckligt stora för att användas inom elektronik är en utmaning trots stora ansträngningar men nu, Penn State-forskare har upptäckt en metod för att förbättra kvaliteten på en klass av 2-D-material, med potential att uppnå wafer-skala tillväxt i framtiden.

Fältet för 2-D-material med ovanliga egenskaper har exploderat under de 15 åren sedan Konstantin Novoselov och Andre Geim drog ett enda atomskikt av kolatomer från bulkgrafen med hjälp av enkel tejp. Även om en stor mängd vetenskap har bedrivits om dessa små fragment av grafen, Industriella lager är svåra att odla.

Av de material som tänkts för nästa generations elektronik, en grupp halvledare som kallas övergångsmetalldykalkogenider ligger i framkant. TMD är bara några få atomer tjocka men är mycket effektiva för att avge ljus, vilket gör dem till kandidater för optoelektronik såsom ljusemitterande dioder, fotodetektorer, eller enkelfotonsändare.

"Vårt yttersta mål är att göra enskiktsfilmer av volfram diselenid eller molybden disulfid ark, och att avsätta dem med kemisk ångavsättning på ett sådant sätt att vi får ett perfekt kristallskikt över en hel skiva, "sa Joan Redwing, professor i materialvetenskap och elektronik, och chef för Penn State's 2-D Crystal Consortium, en National Science Foundation Materials Innovation Platform.

Problemet kommer från hur atomer organiserar sig när de deponeras på ett standardunderlag, som safir. På grund av kristallstrukturen hos TMD, de bildar trianglar när de börjar sprida sig över substratet. Trianglarna kan orienteras i motsatta riktningar, med lika stor sannolikhet. När de stöter och smälter in i varandra för att bilda ett kontinuerligt ark, gränsen de bildar är som en stor defekt som drastiskt reducerar de elektroniska och optiska egenskaperna hos kristallen.

"När laddningsbärarna, såsom elektroner eller hål, stöta på denna defekt, kallad en inversionsdomängräns, de kan sprida, "Redwing sa." Detta har varit ett klassiskt problem med TMD -tillväxt. "

I senaste publikationer i tidskrifterna ACS Nano och Fysisk granskning B , forskare vid Penn State -avdelningarna för materialvetenskap och teknik, Fysik, Kemi, och ingenjörsvetenskap och mekanik visar att om TMD odlas på en yta av sexkantig bornitrid, 85 procent eller mer kommer att peka åt samma håll. Vin Crespi, framstående professor i fysik, materialvetenskap och teknik och kemi, och hans grupp körde simuleringar för att förklara varför detta hände. De fann att lediga platser i den sexkantiga bornitridytan, där en bor- eller kväveatom saknades, kan fånga en metallatom - volfram eller molybden - och tjäna till att orientera trianglarna i en föredragen riktning. Det förbättrade materialet visade ökad fotoluminescensemission och en storleksordning av högre elektronmobilitet jämfört med 2-D TMD som odlas på safir.

"Vårt nästa steg är att utveckla en process för att odla sexkantig bornitrid över en skivskala, "Sa Redwing." Det är vad vi arbetar med nu. Det är svårt att kontrollera defekter och att växa ett enda kristallskikt över en stor yta. Många grupper arbetar med detta. "