Tvådimensionella material från skiktade van der Waals (vdW) kristaller lovar mycket för elektroniska, optoelektroniska, och kvantenheter, men tillverkning/tillverkning av dem har begränsats av bristen på tekniker med hög genomströmning för exfoliering av enkristall-monoskikt med tillräcklig storlek och hög kvalitet. Columbia University forskare rapporterar idag i Vetenskap att de har uppfunnit en ny metod – med hjälp av ultraplatta guldfilmer – för att demontera vdW enkristaller lager för lager till monolager med nästan enhetsutbyte och med dimensioner begränsade endast av bulkkristallstorlekar.

Monoskikten som genereras med denna teknik har samma höga kvalitet som de som skapas av konventionell "scotch tape" exfoliering, men är ungefär en miljon gånger större. Monoskikten kan sättas ihop till makroskopiska konstgjorda strukturer, med egenskaper som inte är lätta att skapa i konventionellt odlade bulkkristaller. Till exempel, lager av molybdendisulfid kan riktas in mot varandra så att den resulterande stapeln saknar spegelsymmetri och som ett resultat visar starkt olinjärt optiskt svar, där det absorberar rött ljus och avger ultraviolett ljus, en process som kallas andra övertonsgenerering.

"Det här tillvägagångssättet tar oss ett steg närmare massproduktion av makroskopiska monolager och bulkliknande konstgjorda material med kontrollerbara egenskaper, " säger co-PI James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik vid Columbia Engineering.

Upptäckten för 15 år sedan att enstaka atomark av kol - grafen - lätt kunde separeras från bulkkristaller av grafit och studeras som perfekta 2D-material erkändes med 2010 års Nobelpris i fysik. Sedan dess, Forskare över hela världen har studerat egenskaper och tillämpningar av en mängd olika 2D-material, och lärde sig hur man kombinerar dessa lager till staplade heterostrukturer som i huvudsak är nya hybridmaterial själva. Den ursprungliga tejpmetoden utvecklad för grafen, som använder en självhäftande polymer för att dra isär kristaller, är lätt att implementera men är inte välkontrollerad och producerar 2D-ark av begränsad storlek - vanligtvis tiotals mikrometer tvärs över, eller storleken på ett tvärsnitt av ett enda hårstrå.

En stor utmaning för fältet och framtida tillverkning är hur man kan skala upp denna process till mycket större storlekar i en deterministisk process som producerar 2D-ark på begäran. Den dominerande strategin för att skala upp produktionen av 2D-material har varit tillväxten av tunna filmer, som har gett stora framgångar men fortfarande står inför utmaningar i materialkvalitet, reproducerbarhet, och de temperaturer som krävs. Andra forskargrupper banade väg för användningen av guld för att exfoliera stora 2D-ark, men har använt tillvägagångssätt som antingen lämnar 2-D-plåtarna på guldsubstrat eller involverar mellansteg med avdunstning av heta guldatomer som skadar 2-D-materialen.

"I vår studie, vi inspirerades av halvledarindustrin, som gör de ultrarena kiselskivorna som används för datorchips genom att odla stora enkristaller och skära dem i tunna skivor, " säger den ledande PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professor i nanovetenskap vid Columbias avdelning för kemi. "Vårt tillvägagångssätt gör detta på atomär skala:vi börjar med en kristall med hög renhet av ett lagermaterial och drar av ett lager i taget, uppnå 2D-ark med hög renhet som har samma dimensioner som moderkristallen."

Forskarna tog utgångspunkt i den Nobelprisbelönta scotch-tejpmetoden och utvecklade en ultraplat guldtejp istället för den självhäftande polymertejpen. Den atomiskt platta guldytan fäster starkt och jämnt till den kristallina ytan av ett 2-D-material och tar isär det lager för lager. Skikten har samma storlek och dimension som den ursprungliga kristallen – vilket ger en grad av kontroll långt utöver vad som är möjligt med scotch-tejp.

"Guldtejpmetoden är tillräckligt skonsam för att de resulterande flingorna har samma kvalitet som de som tillverkas med tejpteknik, " säger postdoktor Fang Liu, huvudförfattaren på tidningen. "Och det som är särskilt spännande är att vi kan stapla dessa atomärt tunna wafers i valfri ordning och orientering för att generera en helt ny klass av konstgjorda material."

Arbetet utfördes i Center for Precision Assembly of Superstratic and Superatomic Solids, ett forskningscenter för materialvetenskap och teknik som finansieras av National Science Foundation och leds av Hone. Forskningsprojektet använde delade anläggningar som drivs av Columbia Nano Initiative.

Motiverad av de senaste spännande framstegen inom "twistronics, Teamet undersöker nu att lägga till liten rotation mellan lagren i dessa konstgjorda material. Genom att göra det, de hoppas kunna uppnå i makroskala den anmärkningsvärda kontrollen över kvantegenskaper som supraledning som nyligen har påvisats i mikrometerstora flingor. De arbetar också med att bredda sin nya teknik till en generell metod för alla typer av skiktade material, och tittar på potentiell robotautomatisering för storskalig tillverkning och kommersialisering.