Underlagsfejl er nøglen til vækst af 2-D materialer

At skabe to-dimensionelle materialer, der er store nok til at bruge i elektronik er en udfordring på trods af en enorm indsats, men nu, Penn State forskere har opdaget en metode til at forbedre kvaliteten af ​​en klasse af 2-D materialer, med potentiale til at opnå vækst i wafer-skala i fremtiden.

Feltet med 2-D materialer med usædvanlige egenskaber er eksploderet i de 15 år, der er gået siden Konstantin Novoselov og Andre Geim trak et enkelt atomlag af kulstofatomer ud af bulk grafen ved hjælp af simpelt klæbende tape. Selvom en stor mængde videnskab er blevet udført på disse små fragmenter af grafen, lag i industristørrelse er svære at dyrke.

Af de materialer, der er forudset til næste generations elektronik, en gruppe af halvledere kaldet overgangsmetal dichalcogenider er på forkant. TMD'er er kun nogle få atomer tykke, men er meget effektive til at udsende lys, hvilket gør dem til kandidater til optoelektronik såsom lysemitterende dioder, fotodetektorer, eller enkeltfoton-emittere.

"Vores ultimative mål er at lave monolagsfilm af wolframdiselenid eller molybdændisulfidplader, og at deponere dem ved hjælp af kemisk dampaflejring på en sådan måde, at vi får et perfekt enkelt krystallag over en hel wafer, "sagde Joan Redwing, professor i materialevidenskab og elektronik, og direktør for Penn State's 2-D Crystal Consortium, en National Science Foundation Materials Innovation Platform.

Problemet kommer fra den måde, atomer organiserer sig på, når de aflejres på et standardsubstrat, såsom safir. På grund af krystalstrukturen af ​​TMD'er, de danner trekanter, når de begynder at sprede sig over substratet. Trekanterne kan orienteres i modsatte retninger, med lige stor sandsynlighed. Når de støder og smelter ind i hinanden for at danne et sammenhængende ark, grænsen de danner er som en stor defekt, der drastisk reducerer de elektroniske og optiske egenskaber af krystallen.

"Når ladningsbærerne, såsom elektroner eller huller, støder på denne defekt, kaldet en inversionsdomænegrænse, de kan sprede sig, " sagde Redwing. "Dette har været et klassisk problem med TMD-vækst."

I nyere publikationer i tidsskrifterne ACS Nano og Fysisk gennemgang B , forskere i Penn State's Departments of Materials Science and Engineering, Fysik, Kemi, og ingeniørvidenskab og mekanik viser, at hvis TMD'erne dyrkes på en overflade af hexagonalt bornitrid, 85 procent eller mere vil pege i samme retning. Vin Crespi, fornem professor i fysik, materialevidenskab og teknik og kemi, og hans gruppe kørte simuleringer for at forklare, hvorfor dette skete. De fandt ud af, at ledige pladser i den sekskantede bornitridoverflade, hvor et bor- eller nitrogenatom manglede, kunne fange et metalatom - wolfram eller molybdæn - og tjene til at orientere trekanterne i en foretrukken retning. Det forbedrede materiale viste øget fotoluminescensemission og en størrelsesorden højere elektronmobilitet sammenlignet med 2-D TMD'er dyrket på safir.

"Vores næste trin er at udvikle en proces til dyrkning af sekskantet bornitrid på tværs af en wafer -skala, " sagde Redwing. "Det er det, vi arbejder på nu. Det er svært at kontrollere defekter og at vokse et enkelt krystallag hen over en stor overflade. Mange grupper arbejder på dette."