De eigenschappen van 2-D materialen op nanometerschaal veranderen

EPFL-wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om de fysische eigenschappen van 2-D-materialen permanent te veranderen met behulp van een nanometrische punt. Hun aanpak, waarbij de materialen worden vervormd, maakt de weg vrij voor het gebruik van deze materialen in elektronische en opto-elektronische apparaten.

Materialen hebben allemaal hun eigen eigenschappen – ze kunnen bijvoorbeeld isolerend, halfgeleidend, metallisch, transparant of flexibel zijn. Sommige combineren verschillende zeer nuttige eigenschappen, wat het geval is bij 2D-materialen. Deze materialen bestaan ​​uit slechts één of enkele lagen atomen en zijn veelbelovend voor de fabricage van de volgende generatie elektronische en opto-elektronische apparaten.

“In ons vakgebied is silicium nog steeds koning. Maar het bereikt zijn grenzen voor sommige elektronische apparaten, zoals apparaten die flexibel of transparant moeten zijn. 2D-materialen kunnen een haalbaar alternatief zijn”, zegt Jürgen Brugger, de professor die de Microsystems Laboratory 1 aan de School of Engineering van EPFL.

Eigenschappen aanpassen voor specifieke toepassingen

Voordat 2-D-materialen kunnen worden gebruikt, moeten ze worden gestructureerd, wat betekent dat ze in de juiste maat en vorm voor de gegeven toepassing moeten worden gesneden. Hun fysieke eigenschappen (zoals de bandgap) moeten ook worden aangepast, zowel door het materiaal heen als op specifieke locaties. Wetenschappers van het Microsystems Laboratory 1 hebben in samenwerking met ETH Zürich en IBM een nieuwe methode ontwikkeld om de eigenschappen van deze materialen te veranderen.

Vervormende materialen met een nanometrische punt



Het onderzoeksteam maakte gebruik van thermische scanning sondelithografie (t-SPL), wat inhoudt dat een verwarmde nanometrische punt op het materiaal wordt geplaatst en druk wordt uitgeoefend om de gewenste vorm te creëren – in dit geval golvend – terwijl de kracht en temperatuur zorgvuldig worden gecontroleerd. “Er bestaan ​​al verschillende methoden om 2D-materialen wereldwijd en lokaal te vervormen. Maar onze thermomechanische benadering kan grotere vervormingen creëren en daardoor grotere variaties in de fysieke eigenschappen van een materiaal produceren”, zegt Ana Conde-Rubio, een wetenschapper bij het EPFL-laboratorium. Meer specifiek kan de nieuwe methode de energiekloof tussen de valentieband en de geleidingsband veranderen, waardoor de elektronische en optische eigenschappen van het materiaal veranderen. En deze verandering in bandgap kan lokaal worden uitgevoerd met een ruimtelijke resolutie tot 20 nanometer.

Een enkele tool voor het snijden en aanpassen van 2D-materialen

De wetenschappers hadden al een methode ontwikkeld om met hoge precisie 2D-materialen te snijden. Nu is hun doel om die methode te combineren met deze nieuwe manier om de eigenschappen van het materiaal te veranderen. “Met hetzelfde gereedschap, de t-SPL, kunnen we apparaten maken met de gewenste vorm, afmetingen en fysische eigenschappen, met een resolutie tot op een schaal van 10 nanometer”, zegt Xia Liu, een andere wetenschapper in het Brugger-laboratorium. De bevindingen van het team zijn gepubliceerd in Nano Letters.

Hun werk maakt deel uit van een groter onderzoeksproject om nieuwe processen te ontwikkelen voor het vervaardigen en modificeren van polymeermaterialen voor wearables en implantables. Het doel is om de overgang mogelijk te maken van productie op laboratoriumschaal naar productie op industriële schaal van apparaten van de volgende generatie.