Forskere høster hurtigt 2D-materialer, bringer dem tættere på kommercialisering

Siden opdagelsen i 2003 af det enkeltatom-tykke kulstofmateriale kendt som grafen, der har også været betydelig interesse for andre typer 2-D materialer.

Disse materialer kan stables sammen som legoklodser for at danne en række enheder med forskellige funktioner, herunder at fungere som halvledere. På denne måde de kunne bruges til at skabe ultratynde, fleksibel, gennemsigtige og bærbare elektroniske enheder.

Imidlertid, at separere et bulkkrystalmateriale i 2-D flager til brug i elektronik har vist sig vanskeligt at gøre i kommerciel skala.

Den eksisterende proces, hvor individuelle flager spaltes fra bulkkrystallerne ved gentagne gange at stemple krystallerne på et klæbebånd, er upålidelig og tidskrævende, det kræver mange timer at høste nok materiale og danne en enhed.

Nu har forskere ved Institut for Mekanisk Teknik ved MIT udviklet en teknik til at høste 2-tommers diameter wafers af 2-D-materiale inden for blot et par minutter. De kan derefter stables sammen til en elektronisk enhed inden for en time.

Teknikken, som de beskriver i et papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , kunne åbne muligheden for at kommercialisere elektroniske enheder baseret på en række 2D-materialer, ifølge Jeehwan Kim, lektor ved Institut for Maskinteknik, der ledede forskningen.

Avisens medførste forfattere var Sanghoon Bae, som var involveret i fremstilling af fleksibel enhed, og Jaewoo Shim, der arbejdede på stablingen af ​​2-D materiale monolag. Begge er postdocs i Kims gruppe.

Avisens medforfattere inkluderede også studerende og postdocs fra Kims gruppe, samt samarbejdspartnere hos Georgia Tech, University of Texas, Yonsei University i Sydkorea, og University of Virginia. Sang-Hoon Bae, Jaewoo Shim, Wei Kong, og Doyoon Lee i Kims forskningsgruppe bidrog ligeledes til dette arbejde.

"Vi har vist, at vi kan lave monolag-for-monolag-isolering af 2-D-materialer på wafer-skalaen, " siger Kim. "For det andet, vi har demonstreret en måde, hvorpå man nemt kan stable disse wafer-skala monolag af 2-D-materiale."

Forskerne dyrkede først en tyk stak 2D-materiale oven på en safirwafer. De påførte derefter en 600 nanometer tyk nikkelfilm på toppen af ​​stakken.

Da 2-D materialer klæber meget stærkere til nikkel end til safir, løftet af denne film gjorde det muligt for forskerne at adskille hele stakken fra waferen.

Hvad mere er, adhæsionen mellem nikkel og de enkelte lag af 2-D materiale er også større end mellem hvert af lagene selv.

Som resultat, når en anden nikkelfilm derefter blev tilføjet til bunden af ​​stakken, forskerne var i stand til at skrælle individuelle, enkelt-atom tykke monolag af 2-D materiale.

Det skyldes, at afskalning af den første nikkelfilm genererer revner i materialet, der forplanter sig helt igennem til bunden af ​​stakken, siger Kim.

Når det første monolag opsamlet af nikkelfilmen er blevet overført til et substrat, processen kan gentages for hvert lag.

"Vi bruger meget enkel mekanik, og ved at bruge dette kontrollerede revneudbredelseskoncept er vi i stand til at isolere monolag 2-D materiale på wafer-skalaen, " han siger.

Den universelle teknik kan bruges med en række forskellige 2-D materialer, inklusive sekskantet bornitrid, wolfram disulfid, og molybdændisulfid.

På denne måde kan den bruges til at producere forskellige typer af monolag 2-D materialer, såsom halvledere, metaller, og isolatorer, som derefter kan stables sammen for at danne de 2-D heterostrukturer, der er nødvendige for en elektronisk enhed.

"Hvis du fremstiller elektroniske og fotoniske enheder ved hjælp af 2-D materialer, enhederne vil kun være nogle få monolag tykke, " siger Kim. "De vil være ekstremt fleksible, og kan stemples på hvad som helst, " han siger.

Processen er hurtig og billig, gør den velegnet til kommerciel drift, tilføjer han.

Forskerne har også demonstreret teknikken ved med succes at fremstille arrays af felteffekttransistorer på wafer-skalaen, med en tykkelse på kun få atomer.

"Værket har et stort potentiale til at bringe 2D-materialer og deres heterostrukturer hen imod applikationer i den virkelige verden, " siger Philip Kim, professor i fysik ved Harvard University, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Forskerne planlægger nu at anvende teknikken til at udvikle en række elektroniske enheder, inklusive et ikke-flygtigt hukommelsesarray og fleksible enheder, der kan bæres på huden.

De er også interesserede i at anvende teknikken til at udvikle enheder til brug på "tingenes internet, " siger Kim.

"Alt du skal gøre er at dyrke disse tykke 2D-materialer, derefter isolere dem i monolag og stable dem op. Så det er ekstremt billigt - meget billigere end den eksisterende halvlederproces. Dette betyder, at det vil bringe 2D-materialer på laboratorieniveau ind i fremstillingen til kommercialisering, " siger Kim.

"Det gør den perfekt til IoT-netværk, fordi hvis du skulle bruge konventionelle halvledere til sensorsystemerne, ville det være dyrt."