Tvådimensionella (2D) material och van der Waals (vdW) heterostrukturer är flexibla material med distinkta atomlager utöver traditionella enheter av gittermatchande krav. Ändå, de 2D van der Waals-strukturer som forskare hittills har utforskat är begränsade till relativt enkla heterostrukturer med ett litet antal block. Det är exponentiellt svårare att förbereda vdW-supergitter av hög ordning med en myriad av alternerande enheter på grund av deras begränsade utbyte och de materiella skadorna i samband med omstapling eller syntes.

Genom att använda den kapillärkraftdrivna upprullningsprocessen, Zhao et al. delaminerad syntetisk tennsulfid (SnS ₂ )/volframdiselenid (WSe ₂ ) van der Waals heterostrukturer från tillväxtsubstratet för att producera roll-ups med alternerande monolager av materialen för att skapa hög ordning SnS ₂ / WSe ₂ vdW supergaller. Supergittren modulerade den elektroniska bandstrukturen och dimensionaliteten för att möjliggöra övergången av transportegenskaper från halvledande till metalliska, och från 2D till endimensionell (1D) med en vinkelberoende linjär magnetoresistans. Teamet utökade denna strategi för att skapa olika 2D/2D vdW supergitter som är mer komplexa och bortom bara 2D, inklusive 3D tunnfilmsmaterial och 1D nanotrådar för att generera en blandning av blandade dimensionella vdW supergitter. Arbetet indikerade ett allmänt tillvägagångssätt för att producera högklassiga vdW-supergitter med en rad materialsammansättningar, mått, kiralitet och topologi för att utveckla en rik materialplattform för grundläggande studier och tekniska tillämpningar. Resultaten publiceras nu på Natur .

Skapa van der Waals heterostrukturer.

Atomiskt tunn, 2D-skiktade material har öppnat nya vägar för att utforska lågdimensionell fysik vid gränsen av enstaka eller få atomlager, att skapa funktionella enheter med oöverträffad prestanda eller unika funktioner. Materialforskare kan blanda och matcha distinkta 2D-material inklusive grafen, hexagonala bornitrid och övergångsmetalldikalkogenider för att skapa 2D vdW-heterostrukturer och vdW-supergitter bortom gränserna för gittermatchning. Dessa materialarkitekturer introducerade ett paradigm för att konstruera konstgjorda material med strukturella och elektroniska egenskaper för funktioner utom räckhåll för befintliga material. Forskare hade hittills erhållit vdW-heterostrukturer och supergitter via en rad metoder inklusive kemisk ångdeposition (CVD), mekanisk exfoliering och omstapling lager för lager för att skapa olika heterostrukturer. I det här arbetet, Zhao et al. rapporterade ett enkelt tillvägagångssätt för att skapa vdW-supergitter av hög ordning genom att rulla upp 2D vdW-heterostrukturer. Forskarna exponerade de CVD-odlade 2D/2D vdW-heterostrukturerna för en etanol-vatten-ammoniaklösning för att tillåta kapillärkraften att driva spontana delaminerings- och upprullningsprocesser för att bilda vdW-heterostrukturupprullningar. Dessa material innehöll högklassiga vdW-supergitter utan flera överförings- och omstaplingsprocesser. Teamet använde sedan skanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM) och energidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) elementära kartläggningsstudier för att bestämma atomsammansättningen av supergittren.

Utveckla roll-up vdW heterostrukturer

Forskarna genomförde sedan elektriska transportstudier för att visa utvecklingen av transportegenskaperna från 2D till 1D med kraftigt förbättrad konduktans och vinkelberoende magneto-resistans i vdW supergitter. De utökade upprullningsstrategin för att skapa olika 2D/2D vdW supergitter och komplexa trekomponents 2D/2D/2D vdW supergitter med användning av tennsulfid/molybdendisulfid/volframdisulfidmaterial. Tekniken tillät också produktion av material bortom 2D, inklusive 3D- eller 1D-material för att generera en rad flerdimensionella vdW-supergitter.

Tillverkningsprocess

Under tillverkningsprocessen av roll-up vdW supergitter, Zhao et al. först växte en 2D atomär kristall på ett kiseldioxidsubstrat av kisel med hjälp av en modifierad kemisk ångavsättningsprocess. Teamet använde de resulterande 2D-kristallerna som mallar för vdW-epitaxiell tillväxt för att uppnå vdW-heterostrukturer. De initierade sedan kapillärkraftsdrivna upprullningsprocesser med användning av etanol-vatten-ammoniaklösning. Lösningen interkalerade vid gränsytan mellan tennsulfid/volframdisulfid vdW heterostrukturerna och det underliggande kiseldioxid/kiselsubstratet för att delaminera tennsulfid/volframdiselenidkonstruktionerna och inducera spontana upprullningsprocesser med hjälp av ytspänning. Arbetet möjliggjorde 2D vdW-heterostrukturupprullningar som innehöll högklassiga 2D vdW-supergitter. Forskarna använde sedan fokuserad jonstrålefräsning för att producera en tvärsnittsskiva av roll-ups, och analyserade dem med hjälp av högupplösta STEM- och EDS-elementkartläggningsstudier.

Upprullningsprocessen öppnar en enkel väg för supergaller av hög ordning och ger materialforskare en metod att skräddarsy mellanskiktskopplingen, dimensionalitet och topologi för den resulterande supergitterstrukturen. Till exempel, genom att omvandla tennsulfid/volframdiselenid-dubbelskiktet vdW-heterostrukturer till ett högordnings vdW-supergitter, Zhao et al. skulle kunna ändra dess bandstruktur och därför dess elektroniska egenskaper. Forskarna undersökte effekterna genom att utföra beräkningar av de första principerna baserade på teori om många kroppsstörningar och undersökte den elektroniska bandstrukturen hos de resulterande vdW-supergittren. Resultaten visade att heterobilskiktet uppvisade en typ II-bandinriktning med valensbandmaximum (VBM) som kommer från volframselenidmaterialet och ledningsbandets minimum som kommer från tennsulfiden för ett uppenbart indirekt bandgap på 0,33 eV. Ytterligare strukturella förändringar av supergitter kan ändra profilen från mestadels supraledande egenskaper i heterobillager till metalliskt beteende.

Fälteffekttransistorer

För att förstå de elektriska egenskaperna hos vdW supergitter, forskarna utvecklade sedan fälteffekttransistorer (FET) med hjälp av heterobilager och roll-up vdW supergitter på kiseldioxid/kiselsubstrat, med tunna metallfilmer som käll- och dräneringselektroder, ett kiselsubstrat som back gate och kiseldioxid som gate dielektrikum för installationen under elektriska transportstudier. Heterodubbelskiktsanordningen visade liten ledning, medan de upprullade vdW-supergittren visade hög konduktans med en ström på 100 µA vid 1 V förspänning. Resultaten framhävde den kraftigt förbättrade laddningstransporten i roll-up vdW-supergittren på grund av det väsentligt minskade bandgapet. Baserat på överföringsegenskaperna, Zhao et al. bestämde bärarrörligheten och bärartätheten i vdW heterobilager och roll-up supergitter. Arbetet indikerade en utveckling av bandstrukturen. I synnerhet, teamet visade hur dimensionaliteten förändrades från 2D till 1D vid upprullning. De bekräftade 1D-transportkaraktären hos roll-ups med hjälp av vinkelberoende magnetoresistansstudier.

Högklassiga supergaller .

Zhao et al. nästa utökade roll-up-strategin för att producera 2D/2D superlattice roll-ups med distinkta kemiska sammansättningar och fysikaliska egenskaper som en rik plattform för att undersöka ferroelektricitet, ferromagnetism, supraledning och piezoelektricitet under olika geometrier och dimensioner. De utvecklade också supergitterstrukturer av hög ordning innehållande upprepade enheter av monolager och dubbellager för att bilda en mycket enhetlig supergitterstruktur för de tre ingående 2D-materialen. De utökade tillvägagångssättet för att skapa blandade dimensionella vdW-supergitter baserade på atomlagerdeposition (ALD). Forskarna utvecklade också mer komplexa supergitter genom att rulla upp heterobilskiktet med olika materialsammansättningar och kiraliteter för att presentera en spännande riktning att utforska i framtida studier.

På det här sättet, Bei Zhao och kollegor utvecklade ett enkelt och allmänt tillvägagångssätt för att bilda flerdimensionella vdW-supergitter av hög ordning som innehåller alternerande lager av distinkta 2D-material, tillsammans med 3D- och 1D-material. Materialen bibehöll mycket varierande sammansättningar och dimensioner för att skapa högkonstruerade konstgjorda konstruktioner bortom traditionella materialsystem. Arbetet ger stor frihet att skräddarsy de resulterande supergitterstrukturerna för mellanskiktskoppling, kiralitet och topologi. Sådana material kan ställas in för att producera komplexa supergitterstrukturer som liknar de som vanligtvis används i flerskiktstransistorer, kvanttunnelanordningar, avancerade lysdioder, eller kvantkaskadlasrar. Denna experimentella uppställning med 1D- och 3D-komponenter erbjuder unika geometrier som är användbara för att utforska kvantfysiken och förverkliga specifika enhetsfunktioner. Arbetet ger också en rik materialplattform för grundläggande studier och tekniska tillämpningar.

© 2021 Science X Network