Pas på kløften mellem atomisk tynde materialer

På metrostationer rundt om i London, advarslen til "Mind the Gap" hjælper pendlere med at undgå at træde ind i det tomme rum, når de forlader toget. Når det kommer til konstruktion af enkeltlags atomare strukturer, minding the gap vil hjælpe forskere med at skabe kunstige elektroniske materialer et atomlag ad gangen.

Gabet er et minimalt vakuum, der kun kan ses under et højeffekttransmissionselektronmikroskop. Kløften, forskere i Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) mener, er en energibarriere, der forhindrer elektroner i let at krydse fra et lag materiale til det næste.

"Det er et naturligt isolerende lag Moder Natur indbygget i disse kunstigt skabte materialer, " sagde Joshua Robinson, assisterende professor i materialevidenskab og teknik og associeret direktør for 2DLM Center. "Vi forsøger stadig at forstå, hvordan elektroner bevæger sig lodret gennem disse lagdelte materialer, og vi troede, det skulle tage meget mindre energi. Takket være en kombination af teori og eksperiment, vi ved nu, at vi skal tage højde for dette hul, når vi designer nye materialer."

For første gang, forskerne fra Penn State dyrkede et enkelt atomlag af wolframdiselenid på et et atom-tykt substrat af grafen med uberørte grænseflader mellem de to lag. Da de forsøgte at sætte en spænding fra det øverste wolframdiselenid (WSe2) lag ned til grafenlaget, de mødte en overraskende mængde modstand. Omkring halvdelen af ​​modstanden var forårsaget af kløften, som indførte en stor barriere, omkring 1 elektronvolt (1eV), til elektronerne, der forsøger at bevæge sig mellem lag. Denne energibarriere kan vise sig nyttig til at designe næste generations elektroniske enheder, såsom vertikale tunnelerende felteffekttransistorer, sagde Robinson.

Interessen for disse van der Waals-materialer opstod med opdagelsen af ​​metoder til fremstilling af enkeltlagsgrafit ved at bruge Scotch-tape til mekanisk at spalte et etatom-tykt lag kulstof kaldet grafen fra bulkgrafit. Van der Waals-kraften, der binder lag af grafit sammen, er svag nok til at tillade stripning af det enkelte atomlag. Penn State-forskerne bruger en anden, mere skalerbar metode, kaldet kemisk dampaflejring, at afsætte et enkelt lag krystallinsk WSe2 oven på et par lag epitaksial grafen, der er dyrket af siliciumcarbid. Selvom grafenforskningen eksploderede i det sidste årti, der er mange van der Waal-faststoffer, der kan kombineres til at skabe helt nye kunstige materialer med uanede egenskaber.

I et papir offentliggjort online denne måned i Nano bogstaver , Penn State-teamet og kolleger fra UT Dallas, Naval Research Laboratory, Sandia National Lab, og laboratorier i Taiwan og Saudi-Arabien, opdagede, at wolframdiselenidlaget voksede i perfekt afstemte trekantede øer på 1-3 mikron i størrelse, der langsomt smeltede sammen til en enkelt krystal på op til 1 cm i kvadrat. Robinson mener, at det vil være muligt at dyrke disse krystaller til industrielt anvendelige wafer-skalastørrelser, selvom det vil kræve en større ovn, end han i øjeblikket har i sit laboratorium.

"En af de virkelig interessante ting ved denne kløft, " sagde Robinson, "er, at det giver os mulighed for at dyrke afstemte lag på trods af, at atomerne i grafenet ikke er på linje med atomerne i wolframdiselenidet. Faktisk er der en 23 procents gittermismatch, hvilket er kæmpestort. Moder Natur lempede virkelig reglerne, når det kommer til disse store forskelle i atomafstand."

Hovedforfatteren på Nano bogstaver papir er Yu-Chuan Lin, en kandidatstuderende i Robinsons laboratorium. Andre Penn State medforfattere var Ram Krishna Ghosh, en post-doc-stipendiat i elektroteknik (EE), der brugte computermodellering til at hjælpe holdet med at forstå energibarrieren, Jie Li, post-doc stipendiat i EE, Theresa S. Mayer og Suman Datta, professorer i EE og Robinson, som sammen med Lain-Jong Li fra Institute of Atomic and Molecular Sciences, Taiwan, var tilsvarende forfatter. I en sjælden smule serendipity, Jeremy Robinson, en forsker i Naval Research Laboratory og Joshua Robinsons bror, var også medforfatter på papiret. Robert Wallace og hans studerende fra University of Texas i Dallas leverede TEM-billeder.