Forskare vid Johns Hopkins University har utvecklat en ny metod för att producera atomärt tunna halvledande kristaller som en dag skulle kunna möjliggöra mer kraftfulla och kompakta elektroniska enheter.

Genom att använda specialbehandlade silikonytor för att skräddarsy kristallernas storlek och form, forskarna har hittat ett potentiellt snabbare och billigare sätt att producera nästa generations halvledarkristaller för mikrochips. De kristallina materialen som produceras på detta sätt kan i sin tur möjliggöra nya vetenskapliga upptäckter och påskynda den tekniska utvecklingen inom kvantberäkning, hemelektronik, och högre effektivitet solceller och batterier.

Resultaten beskrivs i en tidning som publicerades idag i Naturens nanoteknik .

"Att ha en metod för att skulptera kristaller i nanoskala exakt, snabbt, och utan behov av traditionella top-down-processer, ger stora fördelar för utbredd användning av nanomaterial i tekniska tillämpningar, sade Thomas J. Kempa, en kemiprofessor vid Johns Hopkins University som ledde forskningen.

Kempas team sköljde först kiselsubstrat – de stöd som används allmänt i industriella miljöer för att bearbeta halvledare till enheter – med fosfingas. När kristaller lockades att växa på de fosfinbehandlade kiselbärarna, författarna upptäckte att de växte till strukturer som var mycket mindre och av högre kvalitet än kristaller framställda med traditionella metoder.

Forskarna upptäckte att fosfinets reaktion med kiselstödet orsakade bildandet av en ny "designeryta". Denna yta sporrade kristallerna att växa som horisontella "band" i motsats till de plana och triangulärt formade arken som vanligtvis produceras. Dessutom, den enhetliga hyn och strukturen med rena kanter av dessa band konkurrerade med kvaliteten på nanokristaller framställda genom industristandard mönstrings- och etsningsprocesser, som ofta är mödosamma, långvarig, och dyrt, sa Kempa.

Nanokristallerna som framställs i denna studie kallas "transition metal dichalcogenides" eller TMDs. Som grafen, TMD:er har fått stor uppmärksamhet för att ha kraftfulla egenskaper som är en unik konsekvens av deras "tvådimensionella" skala. Men konventionella bearbetningsmetoder kämpar för att lätt ändra texturen hos TMD på ett sätt som passar nya upptäckter och utvecklingen av bättre presterande teknologier.

I synnerhet, versionerna av TMD som Kempa och hans team kunde skapa var så små att de kallade dem "endimensionella" för att skilja dem från de vanliga tvådimensionella arken som de flesta forskare känner till.

Materialbearbetningsbegränsningar är en anledning till att Moores lag har avtagit under de senaste åren. Regeln, poserad 1965 av Intels grundare Gordon E. Moore, anger att antalet transistorer, och deras prestationer, i en tät integrerad krets kommer att fördubblas ungefär vartannat år. Packar så många mikronstora transistorer i mikrochips, eller integrerade kretsar, är anledningen till att hemelektronik har blivit stadigt mindre, snabbare, och smartare under de senaste decennierna.

Dock, halvledarindustrin kämpar nu för att hålla den takten.

Anmärkningsvärda egenskaper hos kristallerna framställda av Kempa och hans team inkluderar:

1. Deras mycket enhetliga atomstruktur och kvalitet härrör från det faktum att de syntetiserades i motsats till tillverkade genom de traditionella metoderna för mönstring och etsning. Den eleganta kvaliteten på dessa kristaller kan göra dem mer effektiva när det gäller att leda och omvandla energi i solceller eller katalysatorer.
2. Forskare kunde direkt odla kristallerna till deras exakta specifikationer genom att ändra mängden fosfin.
3. "Designersubstratet" är "modulärt, " vilket innebär att akademiska och industriella laboratorier kan använda denna teknik i kombination med andra befintliga kristalltillväxtprocesser för att tillverka nya material.
4. "Designersubstraten" är också återanvändbara, sparar pengar och tid vid bearbetning.
5. Den resulterande bandformade, endimensionella kristaller avger ljus vars färg kan ställas in genom att justera bandets bredd, anger deras potentiella löfte i kvantinformationstillämpningar.

"Vi bidrar med ett grundläggande framsteg i rationell kontroll av formen och dimensionen av material i nanoskala, sa Kempa.

Denna metod kan "skulptera kristaller i nanoskala på sätt som inte var lätt möjliga tidigare, ", tillade han. "En sådan exakt syntetisk kontroll av kristallstorlek på dessa längdskalor är utan motstycke."

"Vår metod kan spara avsevärd handläggningstid och pengar, " sa han. "Vår förmåga att kontrollera dessa kristaller efter behag kan vara att möjliggöra tillämpningar inom energilagring, kvantberäkning och kvantkryptografi."