Forskere syr defekter ind i verdens tyndeste halvleder

(Phys.org) — I banebrydende ny forskning ved Columbia University, forskere har dyrket højkvalitetskrystaller af molybdændisulfid (MoS2), verdens tyndeste halvleder, og undersøgte, hvordan disse krystaller hæfter sig sammen på atomær skala for at danne sammenhængende ark. Gennem smukke billeder af slående symmetriske stjerner og trekanter hundreder af mikron på tværs, de har afdækket nøgleindsigter i de optiske og elektroniske egenskaber af dette nye materiale, som enten kan være ledende eller isolerende for at danne den grundlæggende "tænd-sluk-kontakt" for al digital elektronik. Undersøgelsen er offentliggjort i maj 5, 2013, spørgsmål af Naturmaterialer .

"Vores forskning er den første til systematisk at undersøge, hvilke slags defekter der er resultatet af disse store vækster, og for at undersøge, hvordan disse defekter ændrer dens egenskaber, " siger James Hone, professor i maskinteknik ved Columbia Engineering, der ledede undersøgelsen. "Vores resultater vil hjælpe med at udvikle måder at bruge dette nye materiale i atomisk tynd elektronik, som vil blive integrerede komponenter i en helt ny generation af revolutionerende produkter såsom fleksible solceller, der passer til en bils krop."

Dette tværfaglige samarbejde fra Energy Frontier Research Center ved Columbia University med Cornell Universitys Kavli Institute for Nanoscale Science fokuserede på molybdændisulfid på grund af dets potentiale til at skabe alt fra højeffektive, fleksible solceller til tilpasselige touch-skærme. Tidligere arbejde fra Columbia viste, at monolag MoS2 har en elektronisk struktur, der adskiller sig fra bulkformen, og forskerne er begejstrede for at udforske andre atomisk tynde metal dichalcogenider, som burde have lige så interessante egenskaber. MoS2 er i en klasse af materialer kaldet overgangsmetal dichalcogenider, som kan være metaller, halvledere, dielektriske stoffer, og endda superledere.

"Dette materiale er det nyeste i en voksende familie af todimensionelle krystaller, siger Arend van der Zande, en forsker ved Columbia Energy Frontier Research Center og en af ​​papirets tre hovedforfattere. "Grafen, et enkelt ark kulstofatomer, er den tyndeste elektriske leder, vi kender. Med tilsætning af monolaget molybdændisulfid og andre metal dichalcogenider, vi har alle byggestenene til moderne elektronik, der skal skabes i atomart tynd form. For eksempel, vi kan nu forestille os at sætte to forskellige monolag overgangsmetal dicalcogenider mellem lag af grafen for at lave solceller, der kun er otte atomer tykke - 20 tusind gange mindre end et menneskehår!"

Indtil sidste år, de fleste eksperimenter, der studerede MoS2, blev udført ved en proces kaldet mekanisk eksfoliering, som kun producerer prøver på kun få mikrometer store. "Mens disse bittesmå eksemplarer er fine til videnskabelige undersøgelser, " bemærker Daniel Chenet, en ph.d. i Hones laboratorium og en anden hovedforfatter, "de er alt for små til brug i enhver teknologisk anvendelse. Det er afgørende at finde ud af, hvordan man dyrker disse materialer i stor skala."

For at studere materialet, forskerne raffinerede en eksisterende teknik til at vokse sig stor, symmetriske krystaller op til 100 mikron på tværs, men kun tre atomer tyk. "Hvis vi kunne udvide en af ​​disse krystaller til tykkelsen af ​​et ark plastfolie, den ville være stor nok til at dække en fodboldbane – og den ville ikke have nogen forkert justerede atomer, " siger Pinshane Huang, en ph.d.-studerende i David Muller-laboratoriet hos Cornell og avisens tredje hovedforfatter.

Til brug i mange applikationer, disse krystaller skal sættes sammen til sammenhængende ark som pletter på en quilt. Forbindelserne mellem krystallerne, kaldet korngrænser, kan være lige så vigtige som selve krystallerne til at bestemme materialets ydeevne i stor skala. "Korngrænserne bliver vigtige i enhver teknologi, " siger Hone. "Sig, for eksempel, vi vil lave en solcelle. Nu skal vi have meter af dette materiale, ikke mikrometer, og det betyder, at der vil være tusindvis af korngrænser. Vi er nødt til at forstå, hvad de gør, så vi kan kontrollere dem."

Holdet brugte elektronmikroskopi med atomopløsning til at undersøge korngrænserne for dette materiale, og så linjer af forkert justerede atomer. Da de først vidste, hvor de skulle finde korngrænserne, og hvordan de så ud, holdet kunne studere effekten af ​​en enkelt korngrænse på egenskaberne af MoS2. At gøre dette, de byggede små transistorer, den mest basale komponent i al elektronik, ud af krystallerne og så, at singlen, en defekt linje af atomer ved korngrænserne kan drastisk ændre de vigtigste elektroniske og optiske egenskaber af MoS2.

"Vi har gjort mange fremskridt med at kontrollere væksten af ​​dette nye 'vidunder' nanomateriale og udvikler nu teknikker til at integrere det i mange nye teknologier, " Hone tilføjer. "Vi er kun lige begyndt at ridse overfladen af, hvad vi kan lave med disse materialer, og hvad deres egenskaber er. For eksempel, vi kan nemt fjerne dette materiale fra vækstsubstratet og overføre det til enhver vilkårlig overflade, som gør det muligt for os at integrere det i storskala, fleksibel elektronik og solceller."

Krystalsyntesen, optiske målinger, elektroniske målinger, og teori blev alle udført af forskningsgrupper ved Columbia Engineering. Væksten og de elektriske målinger blev foretaget af Hone-laboratoriet i maskinteknik; de optiske målinger blev udført i Tony Heinz lab i fysik. Den strukturelle modellering og elektroniske strukturberegninger blev udført af David Reichman laboratoriet i kemi. Elektronmikroskopien blev udført af atomare billeddannelseseksperter i David Muller-laboratoriet ved Cornell University's School of Applied and Engineering Physics, og Kavli Instituttet ved Cornell for Nanoscale Science.