Forskere bruger iltsakse til at lave fritstående enkeltatoms siliciumlag

Meget som en gennemstegt middag, det næste såkaldte vidundermateriale til næste generations elektronik har været 'fast på panden', indtil forskere ved UOW's Institut for Superledende og Elektroniske Materialer (ISEM) kom med en banebrydende løsning.

Materialet er silicen, den tyndeste mulige form for silicium, består af et todimensionelt lag af siliciumkrystaller.

Elektroner bevæger sig ultrahurtigt i silicen, at reducere den energi, der kræves til at drive elektroniske enheder og bane vejen for endnu mindre, fleksibel, gennemsigtig og billig energi til elektronik.

Indtil nu, silicen er blevet 'dyrket' på en metaloverflade, men forskerne havde ingen dokumenteret måde at frigøre det fra substratet for at skabe et fritstående materiale, som derefter kunne inkorporeres i elektroniske enheder og komponenter.

ISEM-forsker Dr. Yi Du og hans team har brugt ilt til at adskille et enkelt-atom tykt lag silicium fra dets overflade, overvinde den vigtigste forhindring, der forhindrer produktionen af ​​et materiale med potentiale til at superlade elektronik.

"Vi ved, at silicenkrystaller foretrækker at sætte sig fast på det metalliske substrat, og fordi de er for tynde til at blive skrællet af med noget mekanisk værktøj, det er umuligt at fjerne dem fra underlaget, " sagde Dr Du.

Forskere har eksperimenteret med ideen om at bruge 'kemiske saks' til at bryde bindingen mellem silicen og substratet, og gennembruddet for Dr. Du og hans team kom gennem at bruge oxygenmolekyler som kemiske saks til at skære silicenet fra dets substrat.

Arbejdet, støttet af Australian Research Council (ARC), involverer flere specielle teknikker, der kun kan udføres på ISEM ved hjælp af dets kraftfulde værktøjer, herunder et scanningstunnelmikroskop, som skaber et ultrahøjt vakuummiljø omkring hundrede gange højere end det vakuumniveau, der opleves i kredsløb på den internationale rumstation.

"Fordi vakuumniveauerne er så høje, vi kan injicere iltmolekylerne ind i kammeret, og de bliver en 'molekylær flux', der følger en lige vej, "Dr. Du sagde." Dette giver os mulighed for at lede disse molekyler præcist ind i silicenlagene, fungerer som en saks for at adskille silicenen."

Resultatet er et lag af fritstående silicen - med et udseende meget som et bikagegitter - der kunne overføres til et isolerende substrat for at lave avancerede transistorer.

Teorien for todimensionel silicene blev introduceret i 1994, men det var først i 2012, at forskere, herunder et team på UOW, med succes fremstillet silicen i laboratoriet.

Silicene er en ny aktør i kategorien supermaterialer, sammen med grafen, som er et enkelt-atom tykt lag af kulstof. Grafen har vist sig at være den hurtigste leder af elektricitet, der endnu er fundet, hurtigere end almindeligt anvendt silicium.

Grafen kan ikke skiftes mellem tændt og slukket ledningsevne. Dette gør den uegnet til applikationer såsom transistorer.

Fordi silicium og kulstof sidder side om side i det periodiske system, videnskabsmænd blev inspireret til at undersøge, om siliciums atomare egenskaber kunne være tilsvarende revolutionerende, men lettere udnyttes på grund af dets kompatibilitet med eksisterende siliciumbaseret elektronik.

"Dette arbejde løser det langvarige problem med at isolere dette supermateriale til videre udvikling af enheder. Det udfordrer hele den videnskabelige litteratur om silicen siden dets opdagelse, " sagde Dr Du.

"Disse resultater er relevante for det fremtidige design og anvendelse af silicen-baserede nano-elektroniske og spintroniske enheder."

Forskningen blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Videnskabens fremskridt og ACS Central Science and is the result of collaboration between Australian and Chinese researchers including Professor Jijun Zhao, from the Dalian University of Technology and Dr Jiaou Wang at the Beijing Synchrotron Radiation Facility (Chinese Academy of Sciences).