Forskere udvikler ny teknik til fremstilling af grafenkonkurrent molybdændisulfid

grafen, et enkelt-atom-tykt gitter af kulstofatomer, er ofte udråbt som en erstatning for silicium i elektroniske enheder på grund af dets ekstremt høje ledningsevne og uovertrufne tyndhed. Men grafen er ikke det eneste todimensionelle materiale, der kunne spille en sådan rolle.

University of Pennsylvania forskere har gjort fremskridt i fremstillingen af ​​et sådant materiale, molybdændisulfid. Ved at dyrke flager af materialet omkring "frø" af molybdænoxid, de har gjort det nemmere at kontrollere størrelsen, tykkelse og placering af materialet.

I modsætning til grafen, molybdændisulfid har et energibåndgab, hvilket betyder, at dens ledningsevne kan tændes og slukkes. En sådan egenskab er kritisk for halvlederenheder, der bruges i computere. En anden forskel er, at molybdændisulfid udsender lys, hvilket betyder, at det kan bruges i applikationer som LED'er, selvrapporterende sensorer og optoelektronik.

Undersøgelsen blev ledet af A.T. Charlie Johnson, professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Penn's School of Arts &Sciences, og inkluderer medlemmer af hans laboratorium, Gang Hee Han, Nicholas Kybert, Carl Naylor og Jinglei Ping. Ritesh Agarwal bidrog også til undersøgelsen, professor i materialevidenskab og teknik i Penn's School of Engineering and Applied Science; medlemmer af hans laboratorium, Bumsu Lee og Joohee Park; og Jisoo Kang, en kandidatstuderende på Penns nanoteknologiuddannelse. De samarbejdede med forskere fra Sydkoreas Sungkyunkwan University, Si Young Lee og Young Hee Lee.

Deres undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

"Alt, hvad vi laver med almindelig elektronik, vil vi gerne kunne gøre med todimensionelle materialer, " sagde Johnson. "Graphene har et sæt egenskaber, der gør det meget attraktivt for elektronik, men den mangler denne kritiske egenskab, at kunne tænde og slukke. Molybedendisulfid giver dig det."

Grafens ultrahøje ledningsevne betyder, at det kan flytte elektroner hurtigere end noget kendt materiale, men det er ikke den eneste kvalitet, der betyder noget for elektronik. For de transistorer, der danner grundlaget for moderne computerteknologi, at kunne stoppe strømmen af ​​elektroner er også kritisk.

"Molybedendisulfid er ikke så ledende som grafen, " sagde Naylor, "men det har et meget højt tænd/sluk-forhold. Vi har brug for 1'ere og 0'ere for at kunne beregne; grafen kan kun give os 1'ere og 0,5'ere."

Andre forskergrupper har været i stand til at lave små flager af molybdændisulfid på samme måde som grafen først blev fremstillet, ved at eksfoliere det, eller skrælning af atomisk tynde lag fra bulkmaterialet. For nylig, andre forskere har taget en anden teknik til sig fra fremstilling af grafen, kemisk dampaflejring, hvor molybdæn og svovl opvarmes til gasser og efterlades til at bundfælde og krystallisere på et substrat.

Problemet med disse metoder er, at de resulterende flager dannes på en scattershot måde.

"Mellem at jage flagerne, " sagde Kybert, "og sørg for, at de har den rigtige størrelse og tykkelse, det ville tage dage at foretage en enkelt måling af deres egenskaber"

Penn-teamets fremskridt var at udvikle en måde at kontrollere, hvor flagerne dannes i den kemiske dampaflejringsmetode, ved at "så" substratet med en precursor.

"Vi starter med at placere en lille mængde molybdænoxid på de steder, vi ønsker, " sagde Naylor, "så strømmer vi svovlgas ind. Under de rigtige forhold, disse frø reagerer med svovl, og flager af molybdændisulfid skal vokse."

"Der er finesse involveret i at optimere vækstbetingelserne, "Johnson sagde, "men vi udøver mere kontrol, flytte materialet i retning af at kunne lave komplicerede systemer. Fordi vi dyrker det, hvor vi vil have det, vi kan lave enheder nemmere. Vi har alle de andre dele af transistorerne i et separat lag, som vi snapper ned på toppen af ​​flagerne, laver snesevis og potentielt endda hundredvis, af enheder på én gang. Så kunne vi observere, at vi lavede transistorer, der tændte og slukkede, som de skulle, og enheder, der udsender lys, som de skulle."

At være i stand til at matche placeringen af ​​molybdændisulfid-flager med tilsvarende elektronik gjorde det muligt for forskerne at springe et trin over, de skal tage, når de laver grafen-baserede enheder. der, grafen dyrkes i store ark og skæres derefter ned i størrelse, en proces, der øger risikoen for skadelig forurening.

Fremtidigt arbejde på disse molybdændisulfid-enheder vil supplere forskerholdets forskning i grafen-baserede biosensorer; i stedet for at sende detektionen af ​​et eller andet molekyle til en computer, molybdændisulfid-baserede sensorer kunne direkte rapportere en bindingsbegivenhed gennem en ændring i det lys, de udsender.

Denne forskning repræsenterer også de første skridt, der kan anvendes i retning af at fremstille en ny familie af todimensionelle materialer.

"Vi kan erstatte molybdæn med wolfram og svovl med selen, " sagde Naylor, "og bare gå ned i det periodiske system derfra. Vi kan forestille os at dyrke alle disse forskellige materialer på de steder, vi vælger og drage fordele af alle deres forskellige egenskaber."