Skalerbare todimensionelle materialer fremmer fremtidens elektronik

Siden opdagelsen af ​​grafens bemærkelsesværdige egenskaber, forskere har i stigende grad fokuseret forskning på de mange andre todimensionelle materialer, der er mulige, både dem, der findes i naturen og sammensat i laboratoriet. Imidlertid, vokser høj kvalitet, krystallinske 2-D materialer i skala har vist sig at være en betydelig udfordring.

Et par artikler offentliggjort online i to nanoteknologiske tidsskrifter i denne måned danner grundlaget for at dyrke todimensionelle krystaller i wafer-skala til fremtidige elektroniske enheder. I arbejde ledet af Joan Redwing, direktør for det NSF-sponsorerede Two-Dimensional Crystal Consortium – Materials Innovation Platform, og professor i materialevidenskab og teknik og elektroteknik, Penn State, forskere udviklede en flertrinsproces til at lave enkeltkrystal atomisk tynde film af wolframdiselenid på tværs af store safirsubstrater.

"Indtil nu, størstedelen af ​​2-D enheder er blevet fremstillet ved hjælp af små flager, der er eksfolieret af bulkkrystaller, " sagde Redwing. "For at udvikle en enhedsklar teknologi, du skal kunne lave enheder på store substrater, og de skal have god krystalkvalitet."

Processen bruger safir som substrat på grund af dens krystallinske struktur. Denne struktur orienterer filmvæksten i et krystalmønster i en proces kaldet epitaksi. Da små øer af materialet dannes på substratet, og substratet opvarmes, øerne spredes ud over substratet i et ensartet mønster, der danner en film med stort areal uden huller og med meget få defekter. Det vigtigste fremskridt var brugen af ​​gaskildens kemiske dampaflejring til præcist at kontrollere øens tæthed og spredningshastighed for at opnå et enkelt lag af 2-D-materialet.

De udgav deres arbejde, "Diffusionskontrolleret epitaksi af stort område sammensmeltede WSe2 monolag på Sapphire, " i journalen Nano bogstaver .

I et beslægtet papir, "At realisere stor skala, Todimensionelle halvledere af elektronisk kvalitet, "offentliggjort online i tidsskriftet ACS Nano , et hold ledet af Joshua Robinson, lektor i materialevidenskab og teknik, Penn State, giver den grundlæggende forståelse for at muliggøre enhedsklare syntetiske 2D-halvledere baseret på disse epitaksiale film med stort område i fremtidig industriel elektronik.

"Den primære betydning af dette arbejde er, at vi var i stand til at opnå en forståelse af de ekstrinsiske faktorer, der går ud på at have et 2-D-materiale af høj kvalitet, "Robinson sagde." Det, vi fandt, var, at selv når du vokser orienterede krystaller på en overflade, der er andre faktorer, der påvirker evnen til at få høj elektronmobilitet eller hurtige transistorer."

I særdeleshed, de fandt ud af, at der er en stærk interaktion mellem safirsubstratet og monolagsfilmen, hvor substratet dominerer egenskaberne. For at overkomme disse udfordringer, forskerne voksede to eller tre lag, hvilket forbedrede ydeevnen med faktorer på 20-100 gange.

"Dette er det første rigtige bevis på effekten af ​​substratet på transportegenskaberne af 2-D lag, "Sagde Robinson.