Metode til at skabe todimensionale materialer af høj kvalitet kan muliggøre produktion i industriel skala

Todimensionelle materialer har en lang række eksotiske egenskaber, fordi de kun er et atom tykke. A*STAR-forskere har nu udviklet en metode til at skabe store områder med atomtyndt materiale til brug i elektroniske enheder.

grafen, et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et honeycomb-lignende mønster, er det mest berømte eksempel på et todimensionelt materiale. Det er stærkere end stål, har fremragende elektriske egenskaber, og kunne bruges til at lave todimensionelle enheder, der er meget mindre end dem, der i øjeblikket er fremstillet af bulk eller tyndfilm silicium. Imidlertid, det er ikke en halvleder. Og derfor vender forskere sig til andre materialer, der har denne væsentlige egenskab til at skabe transistorer.

Shijie Wang fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og hans samarbejdspartnere har nu demonstreret en teknik til at skabe et enkelt atomlag af molybdændisulfid - en todimensionel halvleder.

Molybdændisulfid tilhører en familie af materialer kaldet overgangsmetal dichalcogenider. De har to chalcogenid-atomer (såsom svovl, selen eller tellur) for hvert overgangsmetalatom (molybdæn og wolfram er eksempler). Disse materialer og deres brede vifte af elektriske egenskaber giver et fremragende platformmaterialesystem til alsidig elektronik. Men at skabe materiale af høj kvalitet over områder, der er store nok til produktion i industriel skala, er svært.

"Traditionelle mekaniske eksfolieringsmetoder til at opnå todimensionelle materialer har begrænset anvendelighed i kommercielle applikationer, og alle tidligere kemiske metoder er inkompatible til integration med enhedsfremstilling, " siger Wang. "Vores teknik er en et-trins proces, der kan dyrke monolagsfilm af god kvalitet, eller få lag molybdændisulfidfilm, i waferskala på forskellige substrater ved hjælp af magnetronsputtering."

Holdet affyrede en stråle af argonioner mod et molybdænmål i et vakuumkammer. Dette udstødte molybdænatomer fra overfladen, hvor de reagerede med en nærliggende svovldamp. Disse atomer blev derefter samlet på et opvarmet substrat af enten safir eller silicium. Holdet fandt ud af, at de kunne dyrke monolag, bilag, trelags eller tykkere prøver ved at ændre styrken af ​​argon-ionstrålen eller aflejringstiden.

De bekræftede kvaliteten af ​​deres materiale ved hjælp af en række almindelige karakteriseringsværktøjer, herunder Raman-spektroskopi, atomkraftmikroskopi, Røntgenfotoelektronspektroskopi og transmissionselektronmikroskopi. Forskerne demonstrerede også de fremragende elektriske egenskaber af deres molybdændisulfidfilm ved at skabe en fungerende transistor (se billede).

"Vores næste trin i dette arbejde vil fokusere på anvendelsen af ​​denne teknik til at syntetisere andre todimensionelle materialer og integrere dem med forskellige materialer til forskellige apparatapplikationer, "siger Wang.