Stenciling med atomer i 2-D materialer muligt

Mulighederne for det nye felt af todimensionelle, et-atom-lag-tykke materialer, inklusive men ikke begrænset til grafen, synes næsten ubegrænset. I ny forskning, Penn State materialeforskere rapporterer om to opdagelser, der vil give en enkel og effektiv måde at "stencilere" højkvalitets 2D-materialer på præcise steder og overvinde en barriere for deres brug i næste generations elektronik.

I 2004 opdagelsen af ​​en måde at isolere et enkelt atomlag af kulstof - grafen - åbnede en ny verden af ​​2D-materialer med egenskaber, der ikke nødvendigvis findes i den velkendte 3D-verden. Blandt disse materialer er en stor gruppe af grundstoffer - overgangsmetaller - der falder i midten af ​​det periodiske system. Når atomer af visse overgangsmetaller, for eksempel molybdæn, er lagdelt mellem to lag af atomer fra chalcogenid-elementerne, såsom svovl eller selen, resultatet er en tre-lags sandwich kaldet et overgangsmetal dichalcogenid. TMD'er har skabt enorm interesse blandt materialeforskere på grund af deres potentiale for nye typer elektronik, optoelektronik og beregning.

"Det, vi har fokuseret på i dette papir, er evnen til at fremstille disse materialer over store områder af et substrat på præcis de steder, vi ønsker dem, " siger Joshua Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik. "Disse materialer er af interesse for en række af næste generations elektronik, ikke nødvendigvis for at erstatte silicium, men for at udvide nuværende teknologier og i sidste ende bringe ny chipfunktionalitet til silicium, som vi aldrig havde før."

For at integrere TMD'er med silicium i transistorer, chipvirksomheder bliver nødt til at have en metode til at placere atomerne præcis, hvor de er nødvendige. Den metode har ikke været tilgængelig indtil nu. I deres 2D Materials papir, "Selektivt områdevækst og kontrolleret substratkobling af overgangsmetaldichalcogenider, "Robinson og hans gruppe demonstrerer, for første gang, en simpel metode til at lave præcise mønstre af todimensionelle materialer ved hjælp af teknikker, der er kendt for ethvert nanoteknologilaboratorium.

"Det viser sig, at processen er ligetil, " Robinson forklarer. "Vi spinder fotoresist på prøven i renrummet, som om vi skal i gang med at lave en enhed. Det kan være en hvilken som helst af en række polymerer, der bruges i nanofabrikation. Vi udsætter det derefter for ultraviolet lys i de ønskede områder, og vi fremkalder det som et fotografi. Hvor polymeren blev udsat for lys, det skyller væk, og derefter renser vi overfladen yderligere med standard plasma-ætsningsprocesser. 2D-materialerne vil kun vokse i de områder, der er blevet renset."

En anden simpel opdagelse beskrevet i dette arbejde, der kunne hjælpe med at fremme TMD-forskningsområdet, involverer at overvinde den stærke effekt et substrat har på 2D-materialerne, der dyrkes oven på substratet. I dette tilfælde, molybdæn disulfid, en højt undersøgt halvleder TMD, blev dyrket på et safirsubstrat under anvendelse af typiske pulverbaserede aflejringsteknikker. Dette resulterede i, at egenskaberne af safir/molybdændisulfid-grænsefladen styrer de ønskede egenskaber af molybdændisulfid, gør den uegnet til fremstilling af enheder.

"Vi var nødt til at afkoble virkningerne af substratet på 2D-laget uden at overføre lagene fra safiren, " siger Robinson, "og så prøvede vi simpelthen at dyppe det voksende materiale ned i flydende nitrogen og trække det ud i luften for at 'knække' grænsefladen. Det viste sig, at det var nok til at adskille molybdændisulfidet fra safiren og komme tættere på den iboende ydeevne af molybdændisulfid."

Processen er skånsom nok til at svække bindingerne, der forbinder 2D-materialet til underlaget uden at sætte det helt fri. Den nøjagtige mekanisme til at løsne bindingerne er stadig under undersøgelse, på grund af kompleksiteten af ​​denne "enkle proces, " sagde Robinson. De to materialer krymper med forskellig hastighed, hvilket kunne få dem til at springe fra hinanden, men det kan også skyldes, at det flydende nitrogen bobler, når det bliver til gas, eller endda kontakt med vanddamp i luften, der danner is på prøven.

"Vi arbejder stadig på at forstå den nøjagtige mekanisme, men vi ved, at det fungerer rigtig godt, i det mindste med molybdændisulfid, " siger Robinson.