Forskare från Tokyo Metropolitan University har odlat atomiskt tunna kristallina lager av övergångsmetalldykalkogenider (TMDC) med varierande sammansättning över rymden, kontinuerligt mata in olika typer av TMDC till en tillväxtkammare för att skräddarsy förändringar i egenskaper. Exempel inkluderar 20-nanometer remsor omgiven av TMDC med atomiskt raka gränssnitt och skiktade strukturer. De undersökte också direkt de elektroniska egenskaperna hos dessa heterostrukturer; potentiella tillämpningar inkluderar elektronik med oöverträffad energieffektivitet.

Halvledare är oumbärliga; kiselbaserade integrerade kretsar stödjer driften av allt digitalt, från diskreta enheter som datorer, smartphones och hushållsapparater för att styra komponenter för alla möjliga industriella applikationer. Ett brett spektrum av vetenskaplig forskning har riktats till nästa steg i halvledardesign, särskilt tillämpningen av nya material för att konstruera mer kompakt, effektiv krets som utnyttjar materialets kvantmekaniska beteende i nanometerlängdsskala. Av särskilt intresse är material med en fundamentalt annorlunda dimension; det mest kända exemplet är grafen, ett tvådimensionellt gitter av kolatomer som är atomtunt.

Övergångsmetalldikalkogenider (eller TMDC) är lovande kandidater för införlivande i nya halvledaranordningar. Består av övergångsmetaller som molybden och volfram och ett kalkogen (eller grupp 16 -element) som svavel eller selen, de kan bilda skiktade kristallina strukturer vars egenskaper förändras drastiskt när metallelementet ändras, från vanliga metaller till halvledare, även till superledare. Genom att styra väva domäner av olika TMDC:er till en enda heterostruktur (gjord av domäner med olika sammansättning), det kan vara möjligt att producera atomtunn elektronik med distinkt, överlägsna egenskaper än befintliga enheter.

Ett team som leds av Dr. Yu Kobayashi och docent Yasumitsu Miyata från Tokyo Metropolitan University har varit i framkant av ansträngningarna att skapa tvådimensionella heterostrukturer med olika TMDC med hjälp av ångfasdeponering, avsättningen av prekursormaterial i ett ångtillstånd på en yta för att skapa atomiskt platta kristallina skikt. En av de största utmaningarna de stod inför var att skapa ett perfekt platt gränssnitt mellan olika domäner, en viktig funktion för att få ut det mesta av dessa enheter. Nu, de har lyckats konstruera en kontinuerlig process för att odla väldefinierade kristallina remsor av olika TMDC i utkanten av befintliga domäner, skapa remsor så tunna som 20 nm med en annan komposition. Deras nya process använder flytande prekursorer som kan matas i sekvens till en tillväxtkammare; genom att optimera tillväxttakten, de kunde odla heterostrukturer med distinkta domäner som var perfekt förbundna över atomiskt raka kanter. De avbildade direkt kopplingen med hjälp av skanningstunnelmikroskopi (STM), hitta utmärkt överenskommelse med första principer numeriska simuleringar av hur ett idealiskt gränssnitt ska se ut. Teamet använde fyra olika TMDC, och insåg också en lager-på-lager heterostruktur.

Genom att skapa atomiskt skarpa gränssnitt, elektroner kan effektivt begränsas till endimensionella utrymmen på dessa 2-D-enheter, för utsökt kontroll av elektrontransport och resistivitet samt optiska egenskaper. Teamet hoppas att detta kan bana väg för enheter med oöverträffad energieffektivitet och nya optiska egenskaper.