Beyond van der Waals:Den næste generation af kovalente 2D-2D heterostrukturer

Et team af videnskabsmænd har "borrelås" 2D-strukturer af MoS₂ og grafen ved at bruge en kovalent forbindelse for første gang. 2D-2D strukturerne blev brugt til at bygge robuste felteffekttransistorer med kontrolleret elektronisk kommunikation, grænseflade kemisk natur og mellemlagsafstand.

Den mest udbredte metode til syntese af 2D-2D heterostrukturer er den direkte vækst af materialer oven på hinanden. 2D-strukturer er atomisk tynde lagmaterialer, der kan stables for at bygge funktionelle heterostrukturer. I sådanne strukturer bygget ved atomaflejring er 2D-lag svagt bundet af van der Waals-interaktioner og kan skilles ad i nogle opløsningsmidler eller termiske processer. Manglen på kontrol over grænsefladen mellem de to materialer med hensyn til elektronisk kommunikation, kemisk karakter eller mellemlagsafstand hæmmer således konstruktionen af ​​robuste multi-purpose enheder.

Et team af forskere ved Universidad Autónoma de Madrid og IMDEA Nanociencia (Spanien) har for første gang forbundet lag af 2D-materialer kovalent:MoS₂ og grafen. Holdet har brugt syntetisk kemi til at "sy" flere flager af MoS₂ til enkeltlags grafenenheder ved hjælp af et bifunktionelt molekyle med to ankerpunkter. Resultaterne er nu offentliggjort i Nature Chemistry , viser, at de endelige elektroniske egenskaber af heterostrukturen er domineret af den molekylære grænseflade.

Kombinationen af ​​de halvledende egenskaber af overgangsmetal dichalcogenid MoS₂ med den høje transportørmobilitet af grafen er det særligt attraktivt til flere applikationer. Gruppen byggede felteffekttransistorer for at teste strukturens elektriske egenskaber. De fandt en modifikation i gate-spændingskarakteristikken med et skift af Dirac-keglen mod positive spændinger og en reduktion af strømmen som minimum.

Denne nuværende undertrykkelse i grafen er utvetydigt forbundet med forstyrrelsen af ​​sp ² hybridisering til sp ³ på grund af dannelsen af ​​kovalente bindinger. Et kontroleksperiment med uberørt MoS₂ suspenderet på toppen af ​​grafen viste ingen signifikante ændringer i D-båndets intensitet. Interessant nok er ladningsbærermobiliteten bevaret efter funktionalisering og kovalent bindingsdannelse mellem MoS₂ og grafen, der er graden af ​​grafendoping, der kan kontrolleres via graden af ​​funktionalisering.

Fremstillingen af ​​disse 2D-2D kovalente heterostrukturer er relativt let. Et siliciumsubstrat indeholdende et enkeltlags grafenark blev nedsænket i en suspension af funktionaliseret MoS₂ i vand ved 35°C. To timers funktionalisering var nok til at fremme den kovalente binding i de fleste af grafenpletterne. For at bekræfte den kovalente funktionalisering blev Raman-spektroskopi udført for at spore transformationen af ​​sp ² carbonatomer af grafen til sp ³ som indikation på dannelse af en ny C-C-binding.

For første gang har forskere brugt kemiens værktøjer til kovalent at binde 2D-materialer. Resultaterne viser styrken af ​​den kemiske tilgang til at bygge MoS₂ -grafen-heterostrukturer ud over van der Waals, der bevarer grafens bærermobilitet til højtydende FET-enheder. Den lodrette kovalente forbindelse bringer en ekstra løftestang til nanoenheders endelige egenskaber ud over materialernes iboende egenskaber og har potentialet til let high-throughput homologering. + Udforsk yderligere

Grafenkrystaller vokser bedre under kobberdækning