Een robotmethode voor het assembleren van complexe van der Waals-vaste stoffen

2D van der Waals-kristallen, een klasse van materialen die sterke covalente bindingen in het vlak en zwakke interacties tussen de lagen vertonen, zijn recentelijk de focus geworden van talrijke onderzoeksstudies vanwege hun overvloed aan unieke elektrische, optische en mechanische eigenschappen. Vreemd genoeg krijgt het, wanneer een hybride verticale stapeling van verschillende vellen van der Waals-kristallen wordt geassembleerd, nieuwe eigenschappen die in geen van de samenstellende lagen ontbreken.

Onlangs hebben onderzoekers van de University of Chicago, Cornell University en University of Michigan een nieuwe robottechniek onderzocht om ingewikkelde Van der Waals-structuren te assembleren, zodat hun hybride eigenschappen efficiënter kunnen worden bestudeerd. In een nieuw gepubliceerd artikel in Natuur Nanotechnologieintroduceerde het team een ​​robot-geautomatiseerde methode voor de 4D-assemblage van van der Waals solids, voortbouwend op technieken voor synthese van 2D-materialen op waferschaal en schoon stapelen van materialen onder vacuüm geïntroduceerd in hun eerdere werken.

“Hoewel de technieken die we in het verleden hebben ontwikkeld ons in staat stelden om 2D-materiaallagen van ongeveer een vierkante centimeter op elkaar te stapelen, was het moeilijk om structuren te creëren met micron-opgeloste, ingewikkelde in-plan ontwerpen,” Andrew Ye, een van de belangrijkste auteurs van de studie, vertelde Phys.org. “Uiteindelijk wilden we een techniek waarmee we kunnen profiteren van materiaal op wafelschaal en de reinheid van vacuümstapelen in de context van fabricagestructuren met geometrische verfijning op micronschaal. Onze nieuwe methode stelt ons in staat om dat te doen.”

Momenteel worden veel heterostructuren bestaande uit 2D-materialen gebouwd met behulp van geëxfolieerde 2D-vlokken. Deze vlokken kunnen echter zeer willekeurige vormen hebben, dus de geometrie van de resulterende, geassembleerde structuren kan enigszins lijken “ongeordend.”

“In tegenstelling tot deze technieken, stelt onze nieuw ontwikkelde methode ons in staat om constructies te vervaardigen met weloverwogen geometrieën,” Je hebt uitgelegd. “Dit komt omdat we beginnen met een wafeltje materiaal en dit vervolgens netjes patroon in arrays van discrete ‘pixel’-eenheden. Deze pixels worden de bouwstenen voor de samengestelde complexe structuren.”

Om Van der Waals-constructies te assembleren, gebruikten Ye en zijn collega’s een instrument dat ze op maat hadden gebouwd, bestaande uit een hoogvacuümkamer met (X, Y, Z en θ) actuatoren die een zorgvuldig ontworpen polymeerstempel bevatten. De vacuümkamer zorgt ervoor dat de materialen erin ongerept blijven tijdens productieprocessen.

Dankzij de vierassige actuatoren kan het instrument de bewegingen van de polymeerstempel met hoge precisie regelen. Ten slotte kan de polymeerstempel worden gebruikt om materiaalpixels methodisch van een chip op te pakken en ze voorzichtig op een andere te plaatsen.

“Omdat ons proces in hoge mate geautomatiseerd is, kunnen we onze machine laten draaien zonder controle van een operator en structuren assembleren met ongeveer 30 lagen per uur,” Je hebt uitgelegd. “Dit is een orde van grootte sneller dan wat voorheen kon worden gedaan.”

Het recente artikel introduceert een nieuw, waardevol paradigma dat kan worden gebruikt om complexe van der Waals-heterostructuren te vervaardigen, uitgaande van gesynthetiseerde materialen op waferschaal. Deze voordelige nieuwe methode zou kunnen helpen om de assemblage van heterostructuren op basis van 2D-materialen te bevorderen en verder te gaan dan bestaande en kleinschalige laboratoriumtechnieken.

“In de context van academisch onderzoek laten we zien dat deze techniek kan worden gebruikt om snel permutaties van verschillende materialen binnen een enkele structuur te bestuderen (zoals voor het verkennen van nieuwe optische of elektrische verschijnselen) en om de eigenschappen van meerlaagse θ-gedraaide monokristallijne 2D-materialen, die van belang zijn in de gemeenschap van gecondenseerde materie,” zei je.

In de toekomst zou de door dit team van onderzoekers geïntroduceerde assemblagemethode kunnen worden gebruikt om op grote schaal elektronica te vervaardigen op basis van 2D-materialen. Hoewel bestaande laboratoriumgebaseerde technieken doorgaans alleen kunnen worden gebruikt om op betrouwbare wijze heterostructuren te vervaardigen die enkele micron groot zijn, zou de door Ye en zijn collega’s voorgestelde methode de grootschalige productie van 100 micron grote en complexe van der Waals-vaste stoffen mogelijk kunnen maken .

“We zijn nu van plan om het gebruik van elektroden verder te ontwikkelen in het robotstapelproces,” Je voegde eraan toe. “Verder zijn er veel interessante natuurkundige eigenschappen in multilayer θ-gedraaide monokristallijne 2D-materialen waar we graag dieper op ingaan.”