Het vinden van nieuwe soorten 2D-materiaaldefecten kan betere elektronica mogelijk maken

Tweedimensionale materialen zijn essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe ultracompacte elektronische apparaten, maar het produceren van foutloze 2D-materialen is een uitdaging. De ontdekking van nieuwe soorten defecten in deze 2D-materialen kan volgens een groep Penn State-onderzoekers echter inzicht geven in hoe materialen zonder dergelijke onvolkomenheden kunnen worden gemaakt.

“2D-materialen zijn opwindende nieuwe materialen voor elektronica, en omdat ze zo dun zijn, maken ze het mogelijk om apparaten tot zeer kleine afmetingen te verkleinen”, zegt Danielle Reifsnyder Hickey, assistent-onderzoeksprofessor materiaalkunde en engineering aan Penn State. “Dit is van cruciaal belang om elektronica krachtiger te maken, zodat ze meer gegevens kunnen verwerken. Het is echter een enorme uitdaging om perfecte 2D-materialen te kweken over gebieden die groot genoeg zijn om grote reeksen hoogwaardige apparaten te kunnen maken.”

Reifsnyder Hickey en het team van Penn State-onderzoekers hebben nieuwe soorten defecten ontdekt die aanwijzingen geven voor een manier om defectvrije 2D-materialen te creëren. De studie verscheen onlangs in Nano-letters.

“We hebben nieuwe defecten gevonden op de Angstrom-schaal, op een tiende van een nanometer, en we waren in staat om de atomaire structuur te correleren met zeer grote schalen, op verschillende microns”, zegt Nasim Alem, universitair hoofddocent materiaalkunde aan Penn State. en engineering en de corresponderende auteur van de studie.

Het team bestudeerde defecten in monolaagfilms van wolfraamdisulfide, gekweekt door de onderzoeksgroep van Joan Redwing, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. Wolfraamdisulfide behoort tot een klasse van 2D-kristallen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden, dit zijn kristallen van drie atomen dik met eigenschappen die ze ideaal maken voor de ontwikkeling van toekomstige elektronica.

“2D-materiaalmonolagen hebben andere eigenschappen dan bulkkristallen,” zei Reifsnyder Hickey. “Ze hebben bijvoorbeeld directe bandhiaten en kunnen daarom worden gebruikt als zeer kleine transistormaterialen, en hun kristalsymmetrie maakt nieuwe soorten apparaten mogelijk op basis van verhoogde vrijheidsgraden ten opzichte van hun bulktegenhangers.”

Een directe band gap is een ideale eigenschap om een ​​elektron in een geleidende energietoestand te exciteren om de stroom van elektriciteit mogelijk te maken. Halfgeleidertechnologie is bijvoorbeeld afhankelijk van de manipulatie van elektronische lading op deze manier. Recent zijn spin- en dalvrijheidsgraden ook veelbelovend gebleken in 2D-materialen en kunnen ze worden gemanipuleerd om nieuwe soorten apparaten mogelijk te maken. Het oriënteren van meerdere spins in een materiaal kan bijvoorbeeld leiden tot magnetisme, en het verdelen van elektronen over verschillende lokale minimale en maximale energietoestanden – valleien – die dezelfde energie hebben maar optreden met verschillende momentumwaarden, kan nieuwe manieren mogelijk maken om informatie te verwerken en op te slaan. Een sleutel tot het ontsluiten van het potentieel van deze eigenschappen is het kweken van defectvrije films, wat alleen kan worden bereikt door atoomdefecten te identificeren en te begrijpen, zoals in dit werk is bereikt.

De defecten die het team ontdekte, staan ​​bekend als translatiekorrelgrenzen, die optreden op het grensvlak tussen twee kristallieten met dezelfde oriëntatie maar een translatieoffset. Doorgaans verbinden korrelgrenzen korrels met ongelijke oriëntaties en kunnen ze de materiaaleigenschappen zoals thermische en elektrische geleidbaarheid beïnvloeden, waardoor hun waarde voor elektronica afneemt. Om de ongebruikelijke translatiekorrelgrenzen te onderzoeken, gebruikte het team een ​​combinatie van scanning transmissie-elektronenmicroscopiebeeldvorming en een ReaxFF reactieve krachtveldsimulatie. ReaxFF is ontwikkeld door Adri van Duin, een vooraanstaande hoogleraar werktuigbouwkunde uit Penn State, die ook aan het onderzoek heeft deelgenomen.

Uit het onderzoek bleek dat de geïdentificeerde translatiekorrelgrenzen bestaan ​​als subtiele maar wijdverbreide onvolkomenheden in de monolaagfilms.

“Door een synergetische benadering konden we onze experimentele bevindingen verklaren met behulp van simulaties en het groeimechanisme blootleggen dat tot een dergelijke microstructuur leidt,” zei Alem. “Dit is een belangrijke stap, want door de onderliggende fysica van groei en defectvorming te leren, kunnen we leren deze te wijzigen en te beheersen, en dit zal een diepgaand effect hebben op de elektronische eigenschappen van het kristal.”

Verbetering van het materiaal zou volgens Reifsnyder Hickey tot betere elektronica leiden.

“Dit onderzoek ontdekte de structuren experimenteel en gebruikte theorie en simulatie om hun vorming te correleren met de groeiomstandigheden,” zei Reifsnyder Hickey. “Nu willen we implementeren wat we hebben geleerd, zodat deze offsets in korrels kunnen worden geëlimineerd om echt monokristallijne films te vormen die groot genoeg zijn voor uitstekende elektronica. We willen ook de eigenschappen van deze en gerelateerde atoomdefecten onderzoeken. “

Volgens Reifsnyder Hickey is het goed nieuws voor een steeds visueler wordende samenleving om verbeterde elektronica te kunnen produceren op basis van wolfraamdisulfide monolaagfilms met minimale defecten.

“Een paar decennia geleden was het ongehoord om een ​​video op een telefoon te bekijken”, zei Reifsnyder Hickey. “Maar nu consumeren we veel informatie visueel, vooral met video’s, waaronder nieuws, communicatie en entertainment. Omdat elektronica zo krachtig is geworden, kunnen we de apparaten die dit mogelijk maken gemakkelijk in onze broekzak dragen. Onze bevindingen kunnen leiden tot een nieuwe generatie van dergelijke apparaten.”

Andere Penn State-onderzoekers die bij het onderzoek betrokken waren, zijn Nadire Nayir, Mikhail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian en Vincent H. Crespi.