2D van der Waals-kristaller, en klass av material som uppvisar starka kovalenta bindningar i planet och svaga interskiktsinteraktioner, har nyligen blivit fokus för många forskningsstudier på grund av deras uppsjö av unika elektriska, optiska och mekaniska egenskaper. Märkligt nog, när en hybrid vertikal stapling av olika ark av van der Waals-kristaller sätts ihop, får den nya egenskaper som inte finns i något av dess beståndsdelar.

Nyligen har forskare vid University of Chicago, Cornell University och University of Michigan undersökt en ny robotteknik för att sätta ihop intrikata van der Waals-strukturer så att deras hybridegenskaper kan studeras mer effektivt. I en nypublicerad artikel i Nature Nanotechnology , introducerade teamet en robotautomatiserad metod för 4D-sammansättningen van der Waals solids, som bygger på tekniker för syntes av 2D-material i wafer-skala och ren stapling av material under vakuum som introducerades i deras tidigare arbeten.

"Medan de tekniker vi utvecklade tidigare gjorde det möjligt för oss att stapla 2D-materiallager på ~en kvadratcentimeter, var det svårt att skapa strukturer med mikronupplösta, intrikata in-plane-designer," Andrew Ye, en av huvudförfattarna till studie, berättade för Phys.org. "I slutändan ville vi ha en teknik som gör att vi kan dra fördel av material i wafer-skala och renheten i vakuumstapling i samband med tillverkning av strukturer med mikronskalig, geometrisk sofistikering. Vår nya metod tillåter oss att göra det."

För närvarande är många heterostrukturer som består av 2D-material byggda med exfolierade 2D-flingor. Dessa flingor kan dock ha väldigt slumpmässiga former, så geometrin hos de resulterande, sammansatta strukturerna kan verka något "osarrangerade".

"Tvärtemot dessa tekniker tillåter vår nyutvecklade metod oss ​​att tillverka strukturer med avsiktliga geometrier," förklarade Ye. "Detta beror på att vi börjar med en skiva av material och sedan rent mönstrar den till arrayer av diskreta "pixel"-iserade enheter. Dessa pixlar blir byggstenarna för de sammansatta komplexa strukturerna."

För att montera van der Waals strukturer använde Ye och hans kollegor ett instrument som de specialbyggt, bestående av en högvakuumkammare med (X, Y, Z och θ ) ställdon som har en noggrant designad polymerstämpel. Vakuumkammaren säkerställer att material inuti den förblir orörda under tillverkningsprocesser.

De fyraxlade ställdonen gör att instrumentet kan kontrollera polymerstämpelns rörelser med hög precision. Slutligen kan polymerstämpeln användas för att metodiskt plocka upp materialpixlar från ett chip och försiktigt placera dem på ett annat.

"Eftersom vår process är mycket automatiserad kan vi köra vår maskin utan operatörskontroll och montera strukturer med ungefär 30 lager per timme," förklarade Ye. "Detta är en storleksordning snabbare än vad som kunde göras tidigare."

Den senaste artikeln introducerar ett nytt, värdefullt paradigm som kan användas för att tillverka komplexa van der Waals heterostrukturer, utgående från syntetiserade material i wafer-skala. Denna fördelaktiga nya metod skulle kunna bidra till att utveckla sammansättningen av heterostrukturer baserade på 2D-material, och gå bortom befintliga och småskaliga laboratorietekniker.

"Inom ramen för akademisk forskning visar vi att denna teknik kan användas för att snabbt studera permutationer av olika material inom en enda struktur (som för att utforska nya optiska eller elektriska fenomen) och för att studera egenskaperna hos flerskikts θ -vridna enkristall 2D-material, som är av intresse i den kondenserade materien-fysikgemenskapen," sa Ye.

I framtiden kan monteringsmetoden som detta team av forskare introducerade användas för att tillverka elektronik baserad på 2D-material i stor skala. Medan befintliga laboratoriebaserade tekniker vanligtvis bara kan användas för att tillförlitligt tillverka heterostrukturer som är några mikron stora, skulle den metod som föreslagits av Ye och hans kollegor kunna möjliggöra storskalig tillverkning av 100 mikron stora och komplexa van der Waals fasta ämnen .

"Vi planerar nu att vidareutveckla användningen av elektroder till robotstaplingsprocessen," tillade Ye. "Dessutom finns det många intressanta fysikegenskaper i flerskikts θ -vridna enkristall 2D-material som vi skulle vilja fördjupa oss i." + Utforska vidare

Ett van der Waals-dielektrik i wafer-skala baserat på en oorganisk molekylär kristallfilm

© 2022 Science X Network