Halvledartillverkare ägnar mer uppmärksamhet åt tvådimensionella material, såsom övergångsmetalldikalkogenider (TMD), efter upptäckten, på KAUST, av en epitaxiell tillväxtprocess av enkristall TMDs nanoband.

En framväxande trend inom transistordesign involverar utrymmesbesparande arkitekturer som staplar komponenter ovanpå varandra. TMD:er har potential för dessa system eftersom de lätt formas till tunna ark, känd som nanoband, som har elektriska, optisk och magnetisk aktivitet. Dock, typiska halvledarprocesser, som fotolitografi, kräva komplicerade procedurer för att producera TMD:er av tillräcklig kvalitet för enhetsändamål.

I samarbete med forskare i USA, Belgien och Taiwan, Vincent Tung och kollegor på KAUST utvecklar alternativa metoder för TMD-tillverkning med hjälp av ytmallar för att styra enkristalltillväxt.

Medan man analyserar kandidater med högupplöst elektronmikroskopi, forskaren Areej Aljarb upptäckte något ovanligt med en halvledare som heter galliumtrioxid (Ga) ₂ O ₃ ). Efter att ha skalat av lager av det flagnande materialet med tejp, hon såg mängder av smala, terrassliknande avsatser som steg upp eller ner för hela Ga ₂ O ₃ yta.

"Steppen är mycket brant och väl exponerade, " säger Aljarb. "Och eftersom atomerna i närheten av dessa avsatser har asymmetriska strukturer, de kan driva tillväxt i specifika riktningar."

När laget avslöjade Ga ₂ O ₃ ytor till en blandning av molybden och svavelgas, de observerade att TMD nanorribbons kristalliserade på längden längs avsatserna med strukturer som var praktiskt taget defektfria. Mikroskopiexperiment och teoretiska modeller avslöjade att avsatsatomerna hade unika energetiska egenskaper som möjliggjorde justerad kärnbildning för att bilda enkristallinanoband. "I årtionden, forskare har försökt odla 2D enkristallhalvledare på isolatorer, och detta arbete visar att kontroll av substratets avsatser är nyckeln, säger Tung.

Spännande nog, nanobanden kunde dras av och överföras till andra substrat utan att skada dem. För att utforska potentiella tillämpningar av den ledge-riktade tillväxtteknologin, den internationella gruppen gick samman för att designa en transistor som kan inkorporera nanoband från Ga ₂ O ₃ mall. Elektroniska mätningar visade att den nya transistorn kunde arbeta i höga hastigheter och hade förstärkningsfaktorer som liknar TMD-material som producerats genom mer arbetskrävande tekniker.

"Nanobanden växer längs avsatserna med hjälp av svaga fysiska interaktioner för att stanna på plats, vilket innebär att inga kemiska bindningar bildas mellan TMD och den underliggande Ga ₂ O ₃ substrat, " noterar Aljarb. "Denna unika funktion gör det möjligt för oss att överföra nanobanden till främmande substrat för många applikationer, allt från transistorer, sensorer, konstgjorda muskler och atomärt tunna solceller."