Kemisk dampaflejring bruges til at dyrke atomlagsmaterialer oven på hinanden

Forskere ved Penn State's Center for Two-Dimensional and Layered Materials og University of Texas i Dallas har vist evnen til at dyrke høj kvalitet, enkeltlagsmaterialer oven på hinanden ved hjælp af kemisk dampaflejring. Denne meget skalerbare teknik, ofte brugt i halvlederindustrien, kan producere nye materialer med unikke egenskaber, som kan anvendes på solceller, ultrakondensatorer til energilagring, eller avancerede transistorer til energieffektiv elektronik, blandt mange andre applikationer.

"Folk har forsøgt at stable disse lagdelte materialer ved hjælp af scotch tape-metoden (en eksfolieringsmetode udviklet af nobelpristagere Novoselov og Geim til at producere grafen), men det efterlader rester på lagene og er ikke skalerbart, " forklarer Joshua Robinson fra Penn State, tilsvarende forfatter på en nylig artikel offentliggjort online i ACS Nano . Andre grupper har brugt den kemiske dampaflejringsmetode til at dyrke lagdelte materialer på et kobbersubstrat, men denne metode kræver nogle sofistikerede teknikker til at overføre det lagdelte materiale til et mere funktionelt underlag uden at forårsage rifter eller forurening.

Robinson og hans kolleger brugte en mere direkte metode, ved hjælp af kemisk dampaflejring til at dyrke et lag af kvasi-fritstående epitaksial grafen (QFEG) på et siliciumcarbidsubstrat, efterfulgt af et lag af molybdændisulfid (MoS2), en metal-dichalcogenid-forbindelse, der i vid udstrækning anvendes som smøremiddel. For at teste kvaliteten af ​​MoS2 på grafen, forskerne brugte materialet til at bygge en fotodetektor til at måle det lagdelte materiales effektivitet til at omdanne fotoner til elektroner. De fandt ud af, at MoS2/QFEG-materialets respons var 100 gange højere end MoS2 alene.

For enheder, QFEG-metoden, som indfører et lag af hydrogenatomer mellem substratet og grafenet og derved afkobler grafenlaget fra det underliggende siliciumcarbid, viste sig at være et bedre valg end den mere almindelige as-grown grafen. Robinson siger, "Generelt er QFEG mere interessant, og fra et enhedssynspunkt, det er kritisk."

For at se om kvasi-fritstående grafen var en passende skabelon til vækst af andre kunstigt stablede atomlag, holdet syntetiserede to andre van der Waals-faststoffer:wolframdiselenid, og hexagonalt bornitrid. (van der Waals faste stoffer har stærk binding i planet, men svag binding mellem lag.) De fastslog, at epitaksial grafen var "en fremragende kandidat til at bygge store vdW-faste stoffer, der vil have ekstraordinære egenskaber og ydeevne."

Industrien har allerede vist stor interesse for 2D lagdelte materialer til RF-applikationer, laveffekt og billige halvledere, og til skærme på fleksible underlag. "Dette er det første skridt, " siger Robinson. "For virkelig at kontrollere egenskaber bliver vi nødt til at se på en række af disse systemer, som skulle vise sig at have helt nye egenskaber, når de stables sammen."