Skalerbar CVD-proces til fremstilling af 2-D molybdændiselenid

(Phys.org) —Nanoingeniørforskere ved Rice University og Nanyang Technological University i Singapore har afsløret en potentielt skalerbar metode til fremstilling af et atom-tykke lag af molybdændiselenid - en meget eftertragtet halvleder, der ligner grafen, men som har bedre egenskaber til fremstilling af visse elektroniske enheder som omskiftelige transistorer og lysemitterende dioder.

Metoden til fremstilling af todimensionel molybdændiselenid bruger en teknik kendt som kemisk dampaflejring (CVD) og er beskrevet online i et nyt papir i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano . Fundet er vigtigt, fordi CVD er meget brugt af halvleder- og materialeindustrien til at lave tynde film af silicium, kulfiber og andre materialer.

"Denne nye metode vil give os mulighed for at udnytte egenskaberne af molybdændiselenid i en række applikationer, " sagde studieleder Pulickel Ajayan, formand for Rice's Institut for Materialevidenskab og NanoEngineering. "I modsætning til grafen, som nu nemt kan laves i store plader, mange interessante 2-D-materialer er stadig vanskelige at syntetisere. Nu hvor vi har en stald, effektiv måde at producere 2-D molybdændiselenid på, vi planlægger at udvide denne robuste procedure til andre 2-D materialer."

I Rice-undersøgelsen, Ajayan og kolleger testede deres atomare tynde lag af molybdændiselenid ved at bygge en felteffekttransistor (FET), en almindeligt anvendt enhed i den mikroelektroniske industri. Test af FET viste, at de elektroniske egenskaber af molybdændiselenidlagene var signifikant bedre end dem for molybdændisulfid; sidstnævnte er et lignende materiale, der er blevet mere grundigt undersøgt, fordi det var lettere at fremstille. For eksempel, FET-testene viste, at elektronmobiliteten af ​​Rice's molybdændiselenid var højere end for CVD-dyrket, molybdændisulfid.

I faststoffysik, elektronmobilitet refererer til, hvor hurtigt elektroner passerer gennem et metal eller en halvleder i nærvær af et elektrisk felt. Materialer med høj elektronmobilitet foretrækkes ofte for at reducere strømforbruget og opvarmningen i mikroelektroniske enheder.

"At være i stand til at lave 2-D materialer på en kontrolleret måde vil virkelig have en indflydelse på vores forståelse og brug af deres fascinerende egenskaber, " sagde studiemedforfatter Emilie Ringe, assisterende professor i materialevidenskab og nanoteknik og i kemi på Rice. "Karakterisere både strukturen og funktionen af ​​et materiale, som vi har gjort i dette papir, er afgørende for sådanne fremskridt."

Molybdændiselenid og molybdændisulfid tilhører hver en klasse af materialer kendt som overgangsmetal-dichalcogenider; TMDC'er hedder sådan, fordi de består af to elementer, et overgangsmetal som molybdæn eller wolfram og et "chalcogen" som svovl, selen eller tellur.

TMDC'er har tiltrukket sig intens interesse fra materialeforskere, fordi de har en atomstruktur svarende til grafen, de rene kulstofvidundermaterialer, der tiltrak Nobelprisen i fysik i 2010. Grafen og lignende materialer omtales ofte som todimensionelle, fordi de kun er et atom tykke. Grafen har ekstraordinære elektroniske egenskaber. For eksempel, dens elektronmobilitet er titusindvis af gange større end TMDC'ers.

Imidlertid, todimensionelle TMDC'er som molybdændiselenid har tiltrukket sig intens interesse, fordi deres elektroniske egenskaber er komplementære til grafen. For eksempel, ren grafen har ingen båndgab - en nyttig elektronisk egenskab, som ingeniører kan udnytte til at lave FET'er, der nemt kan tændes og slukkes.

Som med mange nanomaterialer, forskere har fundet ud af, at de fysiske egenskaber af TMDC'er ændrer sig markant, når materialet har egenskaber i nanoskala. For eksempel, en plade af molybdændiselenid, der er endda en mikron tyk, har et "indirekte" båndgab, mens et todimensionelt ark af molybdændiselenid har et "direkte" båndgab. Forskellen er vigtig for elektronik, fordi materialer med direkte båndgab kan bruges til at lave omskiftelige transistorer og følsomme fotodetektorer.

"En af drivkræfterne i Rice's Institut for Materialevidenskab og NanoEngineering er det tætte samarbejde, der udvikler sig mellem de mennesker, der er fokuseret på syntese, og dem af os, der er involveret i karakterisering, sagde Ringe, som kom til Rices fakultet i januar. "Vi håber, at dette vil være begyndelsen på en række nye protokoller til pålideligt at syntetisere en række 2D-materialer."