2-D elektronik tager et skridt fremad:Team laver halvledende film til atom-tykke kredsløb

Forskere ved Rice University og Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har avanceret målet om todimensionel elektronik med en metode til at kontrollere væksten af ​​ensartede atomlag af molybdendisulfid (MDS).

MDS, en halvleder, er en af ​​en trilogi af materialer, der er nødvendige for at lave fungerende 2-D elektroniske komponenter. De kan en dag være grundlaget for fremstilling af apparater, der er så små, at de ville være usynlige for det blotte øje.

Værket vises online i denne uge i Naturmaterialer .

Rislaboratorierne hos hovedforsker Jun Lou, Pulickel Ajayan og Boris Yakobson, alle professorer i universitetets maskintekniske og materialevidenskabelige afdeling, samarbejdede med Wigner Fellow Wu Zhou og personaleforsker Juan-Carlos Idrobo på ORNL i et usædvanligt initiativ, der indarbejdede eksperimentelt og teoretisk arbejde.

Målene var at se, om store, høj kvalitet, atomtynde MDS -plader kunne dyrkes i en kemisk dampaflejringsovn (CVD) og analysere deres egenskaber. Håbet er, at MDS kan kombineres med grafen, som ikke har noget båndgab, og sekskantet bornitrid (hBN), en isolator, at danne felt-effekt-transistorer, integrerede logiske kredsløb, fotodetektorer og fleksibel optoelektronik.

"For virkelig atomkredsløb, dette er vigtigt, "Sagde Lou." Hvis vi får dette materiale til at fungere, så vil vi have et sæt materialer til at lege med, komplicerede enheder. "

Sidste år, Lou og Ajayan afslørede deres succes med at lave indviklede mønstre af sammenflettede grafen og hBN, blandt dem billedet af Rices ugle maskot. Men der manglede stadig et stykke for at materialerne kunne være fulde partnere i avancerede elektroniske applikationer. På det tidspunkt, forskerne var allerede godt inde i deres undersøgelse af MDS som en halvledende løsning.

"To-dimensionelle materialer har taget fart, "Ajayan sagde." Undersøgelsen af ​​grafen foranledigede forskning i en masse 2-D materialer; molybdendisulfid er blot en af ​​dem. I det væsentlige, vi forsøger at spænde hele rækken af ​​båndgab mellem grafen, som er en halvmetal, og bornitridisolatoren. "

MDS adskiller sig fra grafen og hBN, fordi det ikke ligefrem er fladt. Graphene og hBN er flade, med arrays af sekskanter dannet af deres bestanddele. Men mens MDS ser sekskantet ud set ovenfra, det er faktisk en stak, med et lag molybdænatomer mellem to lag svovlatomer.

Medforfatter Zheng Liu, en fælles forsker i Lou's og Ajayans laboratorier, bemærkede, at Yakobson -gruppen forudsagde, at MDS og carbonatomer ville binde. "Vi arbejder på det, "sagde han." Vi vil gerne klæbe grafen og MDS sammen (med hBN) til det, der ville være en roman, 2-D halvlederkomponent. "

"Spørgsmålet er nu, hvordan man bringer alle 2-D-materialer sammen, "sagde medforfatter Sina Najmaei, en ris -kandidatstuderende. "De er meget forskellige arter, og de vokser i meget forskellige miljøer."

Indtil for nylig, dyrkning af MDS i en brugbar form har været vanskelig. "Scotch tape" -metoden til at trække lag fra en bulkprøve er blevet prøvet, men de resulterende materialer var inkonsekvente, Sagde Lou. Tidlige CVD -eksperimenter producerede MDS med korn, der var for små til at kunne bruges til deres elektriske egenskaber.

Men i processen, forskerne lagde mærke til, at "øer" af MDS havde tendens til at dannes i ovnen, hvor defekter eller endda støvstykker dukkede op på substratet. "Materialet er svært at nukleere, i modsætning til hBN eller grafen, "Najmaei sagde." Vi begyndte at lære, at vi kunne kontrollere denne kernedannelse ved at tilføje kunstige kanter til substratet, og nu vokser det meget bedre mellem disse strukturer. "

"Nu kan vi dyrke kornstørrelser så store som 100 mikron, "Sagde Lou. Det er stadig kun omtrent et menneskehårs bredde, men på nanoskalaområdet, den er stor nok til at arbejde med, han sagde.

Når Ajayan og Lou -holdene var i stand til at vokse så store MDS -arrays, ORNL-teamet afbildede atomstrukturer ved hjælp af aberrationskorrigeret scanningstransmissionselektronmikroskopi. Atomarrayet kan tydeligt ses på billederne, og vigtigere, det kan fejlene, der ændrer materialets elektroniske egenskaber, også.

"For at forbedre egenskaberne af 2-D materialer, det er vigtigt først at forstå, hvordan de er sammensat i en grundlæggende skala, "Idrobo sagde." Vores mikroskopi facilitet på ORNL giver os mulighed for at se materialer på en måde, de aldrig har været set før - ned til niveauet for individuelle atomer. "

Yakobson, en teoretisk fysiker, og hans team har specialiseret sig i at analysere samspillet mellem energi i atomskalaen. Med ORNLs billeder i hånden, de var ikke kun i stand til at beregne energierne for et meget mere komplekst sæt defekter, end der findes i grafen eller BN, men kunne også matche deres tal til billederne.

Blandt Yakobson -teamets interessante fund var eksistensen, rapporterede sidste år, af ledende subnano "tråde" langs korngrænser i MDS. Ifølge deres beregninger, effekten fandt kun sted, når korn mødtes i præcise 60-graders vinkler. ORNL -elektronmikroskopibillederne gør det muligt at se disse korngrænser direkte.

Risforskerne ser mange mulige måder at kombinere materialerne, ikke kun i todimensionelle lag, men også som tredimensionelle stakke. "Naturlige krystaller er lavet af strukturer bundet af van der Waals -kraften, men de er alle af den samme sammensætning, "Sagde Lou." Nu har vi mulighed for at bygge 3D-krystaller med forskellige sammensætninger. "

"Det er meget forskellige materialer, med forskellige elektroniske egenskaber og båndgab. At sætte den ene oven på den anden ville give os en ny type materiale, som vi kalder van der Waals faste stoffer, "Sagde Ajayan." Vi kunne sammensætte dem i den stablingsrækkefølge, vi har brug for, hvilket ville være en interessant ny tilgang inden for materialevidenskab.