Sådan forstørres 2D-materialer som enkeltkrystaller

Hvad gør noget til en krystal? En gennemsigtig og glitrende ædelsten? Ikke nødvendigvis, i den mikroskopiske verden. Når alle dets atomer er arrangeret i overensstemmelse med specifikke matematiske regler, vi kalder materialet en enkelt krystal. Da den naturlige verden har sin unikke symmetri, f.eks., snefnug eller honningkager, den atomare verden af ​​krystaller er designet af sine egne regler for struktur og symmetri. Denne materialestruktur har også en dyb indvirkning på dens fysiske egenskaber. Specifikt, enkeltkrystaller spiller en vigtig rolle i at inducere et materiales iboende egenskaber i dets fulde omfang. Stillet over for den kommende afslutning på miniaturiseringsprocessen, som det siliciumbaserede integrerede kredsløb har tilladt indtil dette punkt, store anstrengelser er blevet dedikeret til at finde en enkelt krystallinsk erstatning for silicium.

I jagten på fremtidens transistor, todimensionelle (2-D) materialer, især grafen, har været genstand for intens forskning rundt om i verden. At være tynd og fleksibel som følge af kun at være et enkelt lag af atomer, denne 2-D version af kulstof har endda hidtil uset elektricitet og varmeledningsevne. Imidlertid, det sidste årtis indsats for grafentransistorer er blevet holdt op af fysiske begrænsninger - grafen tillader ingen kontrol over elektricitetsflowet på grund af manglen på båndgab. Så, hvad med andre 2-D materialer? En række interessante 2D-materialer er blevet rapporteret at have lignende eller endda overlegne egenskaber. Stadig, den manglende forståelse for at skabe ideelle eksperimentelle betingelser for 2-D-materialer med store arealer har begrænset deres maksimale størrelse til blot nogle få millimeter.

Forskere ved Center for Multidimensional Carbon Material (CMCM) i Institute for Basic Science (IBS) har præsenteret en ny tilgang til syntetisering i stor skala, silicium-wafer-størrelse, enkeltkrystallinske 2D-materialer. Prof. Feng Ding og fru Leining Zhang i samarbejde med deres kolleger ved Peking Universitet, Kina og andre institutioner har fundet et substrat med en lavere symmetriorden end et 2-D-materiale, der letter syntesen af ​​enkeltkrystallinske 2-D-materialer i et stort område. "Det var afgørende at finde den rigtige balance mellem rotationssymmetrier mellem et substrat og et 2D-materiale, " bemærker prof. Feng Ding, en af ​​de tilsvarende forfattere til denne undersøgelse. Forskerne har med succes syntetiseret hBN-enkeltkrystaller på 10 x 10 cm ² ved at bruge et nyt substrat:en overflade nær Cu(110), der har en lavere symmetri på (1) end hBN med (3).

Hvorfor er symmetri vigtig? Symmetri, især rotationssymmetri, beskriver, hvor mange gange en bestemt form passer på sig selv under en fuld rotation på 360 grader. Den mest effektive metode til at syntetisere store arealer og enkeltkrystaller af 2-D materialer er at arrangere lag over lag af små enkeltkrystaller og dyrke dem på et substrat. I denne epitaksiale vækst, det er ret udfordrende at sikre, at alle enkeltkrystallerne er justeret i en enkelt retning. Orienteringen af ​​krystallerne påvirkes ofte af det underliggende substrat. Ved teoretisk analyse, IBS-forskerne fandt ud af, at en hBN-ø (eller en gruppe af hBN-atomer, der danner en enkelt trekantform) har to ækvivalente justeringer på Cu(111)-overfladen, der har en meget høj symmetri på (6). "Det var en almindelig opfattelse, at et substrat med høj symmetri kan føre til vækst af materialer med høj symmetri. Det så ud til at give mening intuitivt, men denne undersøgelse fandt det er forkert, " siger fru Leining Zhang, undersøgelsens første forfatter.

Tidligere, forskellige substrater såsom Cu(111) er blevet brugt til at syntetisere enkeltkrystallinsk hBN i et stort område, men ingen af ​​dem lykkedes. Alle anstrengelser endte med, at hBN-øerne blev justeret i flere forskellige retninger på overfladerne. Overbevist af det faktum, at nøglen til at opnå ensrettet justering er at reducere symmetrien af ​​substratet, forskerne gjorde en enorm indsats for at opnå nærliggende overflader med en Cu(110)-orientering; en overflade opnået ved at skære en Cu(110) med en lille hældningsvinkel. Det er som at danne fysiske trin på Cu. Da en hBN-ø har en tendens til at placere sig parallelt med kanten af ​​hvert trin, den får kun én foretrukken justering. Den lille hældningsvinkel sænker også overfladens symmetri.

Forskerne fandt til sidst, at en klasse af nærliggende overflader af Cu (110) kan bruges til at understøtte væksten af ​​hBN med perfekt justering. På et omhyggeligt udvalgt underlag med den laveste symmetri (ellers vil overfladen kun gentage sig selv efter en 360 graders rotation), hBN har kun én foretrukken retning for alignment. Forskerholdet af prof. Kaihui Liu ved Peking University har udviklet en unik metode til at udgløde en stor Cu-folie, op til 10 x 10 cm ² , i en enkelt krystal med den nærliggende Cu (110) overflade, og med det, de har opnået syntesen af ​​hBN-enkeltkrystaller af samme størrelse.

Udover fleksibilitet og ultratynd tykkelse, nye 2-D materialer kan præsentere ekstraordinære egenskaber, når de forstørres som enkeltkrystaller. "Denne undersøgelse giver en generel retningslinje for den eksperimentelle syntese af forskellige 2-D materialer. Udover hBN, mange andre 2D-materialer kunne syntetiseres med enkeltkrystallinske substrater med stort område med lav symmetri, " siger prof. Feng Ding. Især, hBN er den mest repræsentative 2-D isolator, som er forskellig fra de ledende 2-D materialer, såsom grafen, og 2-D halvledere, such as molybdenum disulfide (MoS ₂ ). The vertical stacking of various types of 2-D materials, such as hBN, graphene and MoS ₂ , would lead to a large number of new materials with exceptional properties and can be used for numerous applications, such as high-performance electronics, sensors, or wearable electronics."