可以使用二维材料中的原子进行模板化

二维,一原子层厚材料(包括但不限于石墨烯)的新领域的可能性几乎是无限的。在新的研究中,宾夕法尼亚州立大学材料科学家报告了两项发现,这些发现将提供一种简单有效的方法,在精确的位置“模板化”高质量的2D材料,并克服它们在下一代电子产品中使用的障碍。

2004年,发现了一种隔离单个碳原子层的方法 - 石墨烯 - 开启了二维材料的新世界,其特性不一定在熟悉的3D世界中找到。在这些材料中,有一大组元素 - 过渡金属 - 位于元素周期表的中间。当某些过渡金属的原子(例如钼)层叠在硫属元素元素(如硫或硒)的两层原子之间时,结果是称为过渡金属二硫属化物的三层夹层。TMDs因其具有新型电子,光电子和计算的潜力而引起了材料科学家的极大兴趣。

“我们在本文中所关注的是能够在我们想要的地方精确制作这些材料的基板大面积,”材料科学与工程副教授Joshua Robinson说。“这些材料对各种下一代电子产品都很感兴趣,不一定要取代硅,而是要增强现有技术,最终为芯片带来前所未有的新芯片功能。”

为了将TMD与晶体管中的硅集成在一起,芯片公司需要有一种方法将原子精确地放置在需要它们的位置。直到现在还没有这种方法。在他们的2D材料论文“过渡金属二硫化物的选择性区域生长和受控底物偶联”中,Robinson和他的团队首次证明了使用任何纳米技术熟悉的技术制作二维材料精确图案的简单方法。实验室。

“事实证明这个过程是直截了当的,”罗宾逊解释道。“我们在洁净室中的样品上旋转光刻胶,好像我们要开始制造一个器件。它可以是纳米加工中使用的任何一种聚合物。然后我们将它暴露在所需区域的紫外线下,并且我们将它像照片一样开发。聚合物暴露在光线下,然后冲洗干净,然后我们用标准的等离子蚀刻工艺进一步清洁表面。二维材料只会在已经清洁的区域生长。

在这项工作中描述的第二个简单的发现可以帮助推进TMD研究领域,包括克服基板对生长在基板顶部的2D材料的强烈影响。在这种情况下,使用典型的基于粉末的沉积技术在蓝宝石衬底上生长二硫化钼(一种高度研究的半导体TMD)。这导致蓝宝石/二硫化钼界面的性质控制二硫化钼的所需性质,使其不适合于器件制造。

“我们需要将基板对二维层的影响分离,而不会将层从蓝宝石上转移下来,”罗宾逊说,“所以我们只是尝试将生长后的材料浸入液氮中并将其拉入空气中以'裂缝' “界面。结果证明这足以将二硫化钼与蓝宝石分离,并更接近二硫化钼的内在性能。”

该过程足够温和,以减弱将2D材料连接到基板的键​​,而不会完全将其释放。罗宾逊说,由于这种“简单过程”的复杂性,放松债券的确切机制仍在调查中。这两种材料以不同的速率收缩,这可能导致它们爆裂,但也可能是由于液氮在变成气体时冒泡,或甚至与空气中的水蒸气接触,从而在样品上形成冰。

“我们仍在努力了解确切的机制,但我们知道它的效果非常好,至少与二硫化钼有关,”罗宾逊说。