Tvådimensionella material är avgörande för att utveckla nya ultrakompakta elektroniska enheter, men att producera defektfria 2D-material är en utmaning. Dock, upptäckt av nya typer av defekter i dessa 2D-material kan ge insikt i hur man skapar material utan sådana brister, enligt en grupp Penn State-forskare.

"2D-material är spännande nya material för elektronik, och för att de är så tunna, de gör det möjligt att krympa enheter till mycket små storlekar, sa Danielle Reifsnyder Hickey, Penn State biträdande forskningsprofessor i materialvetenskap och teknik. "Detta är avgörande för att göra elektroniken mer kraftfull så att den kan hantera mer data. det är en enorm utmaning att odla perfekta 2D-material över ytor som är tillräckligt stora för att kunna göra stora arrayer av högkvalitativa enheter."

Reifsnyder Hickey och teamet av forskare från Penn State har upptäckt nya typer av defekter som ger ledtrådar för ett sätt att skapa defektfria 2D-material. Studien dök nyligen upp i Nanobokstäver .

"Vi hittade nya defekter som är på Ångströmskalan, vid en tiondels nanometer, och vi kunde korrelera atomstrukturen till mycket stora skalor, vid flera mikron, sa Nasim Alem, Penn State docent i materialvetenskap och teknik och studiens motsvarande författare.

Teamet studerade defekter i enskiktsfilmer av volframdisulfid odlade av forskargruppen Joan Redwing, professor i materialvetenskap och teknik, Penn State. Volframdisulfid tillhör en klass av 2D-kristaller som kallas övergångsmetalldikalkogenider, som är tre atoms tjocka kristaller som har egenskaper som gör dem idealiska för utvecklingen av framtidens elektronik.

"2D-material monolager har andra egenskaper än bulkkristaller, " sa Reifsnyder Hickey. "Till exempel, de har direkta bandgap och kan därför användas som mycket små transistormaterial, och deras kristallsymmetri möjliggör nya typer av enheter baserade på ökade frihetsgrader i förhållande till deras bulkmotsvarigheter."

Ett direkt bandgap är en idealisk funktion för att excitera en elektron till ett ledande energitillstånd för att tillåta strömflödet. Halvledarteknik, till exempel, är beroende av manipulering av elektronisk laddning på detta sätt. Nyligen, frihetsgrader av spin och dal har också visat sig lovande i 2D-material och kan manipuleras för att möjliggöra nya typer av enheter. Till exempel, att orientera flera snurr i ett material kan leda till magnetism, och att fördela elektroner mellan olika lokala minimi- och maximienergitillstånd – dalar – som har samma energi men som uppstår med olika momentumvärden kan möjliggöra nya sätt att bearbeta och lagra information. En nyckel till att frigöra potentialen hos dessa egenskaper är att odla defektfria filmer, som endast kan uppnås genom att identifiera och förstå atomära defekter, som uppnåddes i detta arbete.

Defekterna som teamet upptäckte är kända som translationella korngränser, som förekommer vid gränssnittet mellan två kristalliter som har samma orientering men en translationsförskjutning. Vanligtvis, korngränser förbinder korn med olika orientering och kan påverka materialegenskaperna såsom termisk och elektrisk ledningsförmåga, minskar deras värde för elektronik. För att undersöka de ovanliga translationella korngränserna, teamet använde en kombination av scanningstransmissionselektronmikroskopi och en ReaxFF reaktiv kraftfältsimulering. ReaxFF utvecklades av Adri van Duin, en framstående professor i maskinteknik från Penn State som också deltog i studien.

Forskningen fann att de identifierade translationella korngränserna existerar som subtila men utbredda defekter i monolagerfilmerna.

"Genom ett synergistiskt tillvägagångssätt, vi kunde förklara våra experimentella fynd med hjälp av simuleringar och avslöja tillväxtmekanismen som leder till sådan mikrostruktur, "Alem sa. "Detta är ett viktigt steg, eftersom genom att lära sig den underliggande fysiken för tillväxt och defektbildning, vi kan lära oss att modifiera och kontrollera dem, och detta kommer att ha en djupgående effekt på kristallens elektroniska egenskaper."

Att förbättra materialet skulle leda till bättre elektronik, enligt Reifsnyder Hickey.

"Denna undersökning upptäckte experimentellt strukturerna och använde teori och simulering för att korrelera deras bildning med tillväxtförhållandena, " sa Reifsnyder Hickey. "Nu, vi skulle vilja implementera det vi har lärt oss, så att dessa förskjutningar i korn kan elimineras för att bilda verkligt enkristallina filmer som är tillräckligt stora för utmärkt elektronik. Vi skulle också vilja utforska egenskaperna hos dessa och relaterade atomära defekter."

Att kunna producera förbättrad elektronik baserad på volframdisulfid monolagerfilmer med minimala defekter är goda nyheter för ett allt mer visuellt samhälle, enligt Reifsnyder Hickey.

"För ett par decennier sedan, det var ovanligt att titta på en video på en telefon, " sa Reifsnyder Hickey. "Men nu, vi konsumerar mycket information visuellt, speciellt med videor, inklusive nyheter, kommunikation och underhållning. Eftersom elektroniken har blivit så kraftfull, vi kan enkelt bära i våra fickor de enheter som möjliggör detta. Våra fynd kan leda till en ny generation av sådana enheter."

Andra Penn State-forskare som är involverade i studien inkluderar Nadire Nayir, Mikhail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian och Vincent H. Crespi.