La creazione di materiali bidimensionali abbastanza grandi da poter essere utilizzati nell'elettronica è una sfida nonostante gli enormi sforzi, ma ora, I ricercatori della Penn State hanno scoperto un metodo per migliorare la qualità di una classe di materiali 2-D, con il potenziale per raggiungere una crescita a livello di wafer in futuro.

Il campo dei materiali 2-D con proprietà insolite è esploso nei 15 anni da quando Konstantin Novoselov e Andre Geim hanno estratto un singolo strato atomico di atomi di carbonio dal grafene sfuso usando un semplice nastro adesivo. Sebbene sia stata condotta una grande quantità di scienza su questi piccoli frammenti di grafene, gli strati di dimensioni industriali sono difficili da coltivare.

Dei materiali previsti per l'elettronica di prossima generazione, un gruppo di semiconduttori chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione sono in prima linea. I TMD sono spessi solo pochi atomi ma sono molto efficienti nell'emettere luce, che li rende candidati per l'optoelettronica come i diodi emettitori di luce, fotorilevatori, o emettitori a singolo fotone.

"Il nostro obiettivo finale è realizzare film monostrato di diseleniuro di tungsteno o fogli di disolfuro di molibdeno, e depositarli utilizzando la deposizione chimica da vapore in modo tale da ottenere un perfetto strato di cristallo singolo su un intero wafer, " ha detto Joan Redwing, professore di scienza dei materiali ed elettronica, e direttore del 2-D Crystal Consortium di Penn State, una piattaforma per l'innovazione dei materiali della National Science Foundation.

Il problema deriva dal modo in cui gli atomi si organizzano quando vengono depositati su un substrato standard, come lo zaffiro. A causa della struttura cristallina dei TMD, formano triangoli quando iniziano a diffondersi sul substrato. I triangoli possono essere orientati in direzioni opposte, con uguale probabilità. Quando si urtano e si fondono l'uno nell'altro a formare un foglio continuo, il confine che formano è come un grande difetto che riduce drasticamente le proprietà elettroniche e ottiche del cristallo.

"Quando i portatori di carica, come elettroni o lacune, incontrare questo difetto, chiamato confine di dominio di inversione, possono sparpagliarsi, " Redwing ha detto. "Questo è stato un classico problema con la crescita del TMD".

In recenti pubblicazioni su riviste ACS Nano e Revisione fisica B , ricercatori nei dipartimenti di scienza e ingegneria dei materiali di Penn State, Fisica, Chimica, e Engineering Science and Mechanics mostrano che se i TMD vengono coltivati ​​su una superficie di nitruro di boro esagonale, L'85% o più punterà nella stessa direzione. Vin Crespi, illustre professore di fisica, scienza e ingegneria dei materiali e chimica, e il suo gruppo ha eseguito simulazioni per spiegare perché questo è accaduto. Hanno scoperto che i posti vacanti nella superficie esagonale del nitruro di boro, dove mancava un atomo di boro o azoto, potrebbe intrappolare un atomo di metallo - tungsteno o molibdeno - e servire per orientare i triangoli in una direzione preferita. Il materiale migliorato ha mostrato una maggiore emissione di fotoluminescenza e un ordine di grandezza maggiore di mobilità degli elettroni rispetto ai TMD 2-D cresciuti su zaffiro.

"Il nostro prossimo passo è sviluppare un processo per far crescere nitruro di boro esagonale su una scala di wafer, " Redwing ha detto. "Questo è ciò su cui stiamo lavorando ora. È difficile controllare i difetti e far crescere un singolo strato di cristallo su un'ampia superficie. Molti gruppi stanno lavorando su questo”.