En robotmetode til at samle komplekse van der Waals-faststoffer

2D van der Waals-krystaller, en klasse af materialer, der udviser stærke kovalente bindinger i planet og svage interlagsinteraktioner, er for nylig blevet fokus for adskillige forskningsstudier på grund af deres overflod af unikke elektriske, optiske og mekaniske egenskaber. Mærkeligt nok, når en hybrid lodret stabling af forskellige plader af van der Waals-krystaller samles, får den nye egenskaber fraværende fra nogen af ​​dets konstituerende lag.

For nylig har forskere ved University of Chicago, Cornell University og University of Michigan udforsket en ny robotteknik til at samle indviklede van der Waals-strukturer, så deres hybridegenskaber kan studeres mere effektivt. I et nyligt offentliggjort papir i Nature Nanotechnology , introducerede holdet en robot-automatiseret metode til 4D-samlingen van der Waals faste stoffer, der bygger på teknikker til wafer-skala 2D-materialesyntese og ren stabling af materialer under vakuum, introduceret i deres tidligere værker.

"Mens de teknikker, vi udviklede i fortiden, gjorde det muligt for os at stable 2D-materialelag på ~en kvadratcentimeter, var det vanskeligt at skabe strukturer med mikronopløste, indviklede design i planet," Andrew Ye, en af ​​de primære forfattere til undersøgelse, fortalte Phys.org. "I sidste ende ønskede vi en teknik, der giver os mulighed for at drage fordel af wafer-skala materiale og renheden ved vakuum-stabling i forbindelse med fremstilling af strukturer med mikron-skala, geometrisk sofistikering. Vores nye metode giver os mulighed for at gøre det."

I øjeblikket er mange heterostrukturer bestående af 2D-materialer bygget ved hjælp af eksfolierede 2D-flager. Disse flager kan dog have meget tilfældige former, så geometrien af ​​de resulterende, samlede strukturer kan virke noget "uordnet".

"I modsætning til disse teknikker giver vores nyudviklede metode os mulighed for at fremstille strukturer med bevidste geometrier," forklarede Ye. "Det skyldes, at vi starter med en skive af materiale, og derefter mønstrer det rent til rækker af diskrete 'pixel'-iserede enheder. Disse pixels bliver byggestenene til de samlede komplekse strukturer."

Til at samle van der Waals strukturer brugte Ye og hans kolleger et instrument, de specialbyggede, bestående af et højvakuumkammer med (X, Y, Z og θ ) aktuatorer, der har et omhyggeligt designet polymerstempel. Vakuumkammeret sikrer, at materialer inde i det forbliver uberørte under fremstillingsprocesser.

De fire-aksede aktuatorer gør det muligt for instrumentet at kontrollere bevægelserne af polymerstemplet med høje præcisionsniveauer. Endelig kan polymerstemplet bruges til metodisk at opsamle materialepixel fra en chip og forsigtigt placere dem på en anden.

"Fordi vores proces er meget automatiseret, kan vi køre vores maskine uden operatørkontrol og samle strukturer med omkring 30 lag i timen," forklarede Ye. "Dette er en størrelsesorden hurtigere end hvad der kunne gøres før."

Det nylige papir introducerer et nyt, værdifuldt paradigme, der kan bruges til at fremstille komplekse van der Waals heterostrukturer, startende fra wafer-skala, syntetiserede materialer. Denne fordelagtige nye metode kan hjælpe med at fremme samlingen af ​​heterostrukturer baseret på 2D-materialer, der går ud over eksisterende og små laboratorieteknikker.

"I forbindelse med akademisk forskning viser vi, at denne teknik kunne bruges til hurtigt at studere permutationer af forskellige materialer inden for en enkelt struktur (såsom til at udforske nye optiske eller elektriske fænomener) og til at studere egenskaberne af flerlags θ -snoede enkeltkrystal 2D-materialer, som er af interesse i det kondenserede stof-fysiske samfund," sagde Ye.

I fremtiden kan samlingsmetoden, som dette hold af forskere introducerede, bruges til at fremstille elektronik baseret på 2D-materialer i stor skala. Mens eksisterende laboratoriebaserede teknikker typisk kun kan bruges til pålidelig fremstilling af heterostrukturer, der er nogle få mikron i størrelse, kunne metoden foreslået af Ye og hans kolleger muliggøre storskala fremstilling af 100 mikron store og komplekse van der Waals faste stoffer .

"Vi planlægger nu at videreudvikle brugen af ​​elektroder til robotstablingsprocessen," tilføjede Ye. "Yderligere er der en masse interessante fysikegenskaber i flerlags θ -snoede enkeltkrystal 2D-materialer, som vi gerne vil dykke dybere ned i." + Udforsk yderligere

Et van der Waals-dielektrikum i wafer-skala baseret på en uorganisk molekylær krystalfilm

© 2022 Science X Network