Forskere udvikler ny metode til at isolere atomark og skabe nye materialer

Todimensionelle materialer fra lagdelte van der Waals (vdW) krystaller lover meget for elektronisk, optoelektronisk, og kvanteudstyr, men fremstilling/fremstilling af dem har været begrænset af manglen på high-throughput teknikker til eksfoliering af enkeltkrystal monolag med tilstrækkelig størrelse og høj kvalitet. Columbia University-forskere rapporterer i dag i Videnskab at de har opfundet en ny metode - ved hjælp af ultraflade guldfilm - til at adskille vdW enkeltkrystaller lag for lag i monolag med næsten enhedsudbytte og med dimensioner, der kun er begrænset af bulkkrystalstørrelser.

De monolag, der genereres ved hjælp af denne teknik, har samme høje kvalitet som dem, der er skabt ved konventionel "Scotch tape"-eksfoliering, men er omkring en million gange større. Monolagene kan samles til makroskopiske kunstige strukturer, med egenskaber, der ikke let kan skabes i konventionelt dyrkede bulkkrystaller. For eksempel, lag af molybdændisulfid kan justeres med hinanden, så den resulterende stak mangler spejlsymmetri og som et resultat demonstrerer stærkt ikke-lineær optisk respons, hvor det absorberer rødt lys og udsender ultraviolet lys, en proces kendt som anden harmonisk generation.

"Denne tilgang tager os et skridt tættere på masseproduktion af makroskopiske monolag og bulk-lignende kunstige materialer med kontrollerbare egenskaber, "siger co-PI James Hone, Wang Fong-Jen professor i maskinteknik ved Columbia Engineering.

Opdagelsen for 15 år siden, at enkelte atomplader af kulstof - grafen - nemt kunne adskilles fra bulkkrystaller af grafit og studeres som perfekte 2D-materialer, blev anerkendt med Nobelprisen i fysik i 2010. Siden da, forskere verden over har undersøgt egenskaber og anvendelser af en lang række 2-D materialer, og lærte, hvordan man kombinerer disse lag til stablede heterostrukturer, der i det væsentlige er nye hybridmaterialer selv. Den originale scotch tape metode udviklet til grafen, som bruger en klæbende polymer til at trække krystaller fra hinanden, er let at implementere, men er ikke velkontrolleret og producerer 2D-ark af begrænset størrelse - typisk titusinder af mikrometer på tværs, eller størrelsen på et tværsnit af en enkelt hårstreng.

En stor udfordring for feltet og fremtidig fremstilling er, hvordan man skalerer denne proces op til meget større størrelser i en deterministisk proces, der producerer 2-D-ark efter behov. Den dominerende tilgang til at opskalere produktionen af ​​2-D materialer har været væksten af ​​tynde film, som har givet store succeser, men stadig står over for udfordringer i materialekvalitet, reproducerbarhed, og de nødvendige temperaturer. Andre forskergrupper var pionerer i brugen af ​​guld til at eksfoliere store 2-D ark, men har brugt fremgangsmåder, der enten efterlader 2-D-pladerne på guldsubstrater eller involverer mellemliggende trin med fordampning af varme guldatomer, der beskadiger 2-D-materialerne.

"I vores undersøgelse, vi blev inspireret af halvlederindustrien, som laver de ultrarene siliciumskiver, der bruges til computerchips, ved at dyrke store enkeltkrystaller og skære dem i tynde skiver, " siger den ledende PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professor i nanovidenskab i Columbias afdeling for kemi. "Vores tilgang gør dette på atomær skala:vi starter med en høj ren krystal af et lagdelt materiale og skræller et lag af gangen, opnåelse af høj renhed 2-D ark, der har samme dimensioner som moderkrystal."

Forskerne tog udgangspunkt i den nobelprisvindende scotch tape-metode og udviklede en ultraflad guldtape i stedet for den klæbende polymertape. Den atomare flade guldoverflade klæber stærkt og ensartet til den krystallinske overflade af et 2-D materiale og adskiller det lag for lag. Lagene har samme størrelse og dimension som den originale krystal - hvilket giver en grad af kontrol langt ud over, hvad der er opnåeligt med scotch tape.

"Guldtapemetoden er tilstrækkelig skånsom til, at de resulterende flager har samme kvalitet som dem, der er lavet med scotch tape-teknik, " siger postdoktor Fang Liu, hovedforfatteren på papiret. "Og det, der er særligt spændende, er, at vi kan stable disse atomisk tynde wafere i enhver ønsket rækkefølge og orientering for at generere en helt ny klasse af kunstige materialer."

Arbejdet blev udført i Center for Precision Assembly of Superstratic and Superatomic Solids, et Materials Science and Engineering Research Center finansieret af National Science Foundation og ledet af Hone. Forskningsprojektet brugte fælles faciliteter drevet af Columbia Nano Initiative.

Motiveret af de seneste spændende fremskridt inden for "twistronics, "teamet undersøger nu at tilføje små rotationer mellem lagene i disse kunstige materialer. Ved at gøre det, de håber at opnå på makroskala den bemærkelsesværdige kontrol over kvanteegenskaber såsom superledningsevne, som for nylig er blevet påvist i mikrometerstore flager. De arbejder også på at udvide deres nye teknik til en generel metode for alle typer lagdelte materialer, og ser på potentiel robotautomatisering til storskala fremstilling og kommercialisering.