Voorbij van der Waals: de volgende generatie covalente 2D-2D heterostructuren

2D MoS₂ is verbonden met grafeen via een covalente binding. Krediet: Patricia Bondia

Een team van wetenschappers heeft 2D-structuren van MoS . met klittenband gemaakt₂ en grafeen met behulp van een covalente verbinding voor de eerste keer. De 2D-2D-structuren werden gebruikt om robuuste veldeffecttransistors te bouwen met gecontroleerde elektronische communicatie, chemische interface en afstand tussen de lagen.

De meest wijdverbreide methode voor de synthese van 2D-2D heterostructuren is de directe groei van materialen op elkaar. 2D-structuren zijn atomair dunne gelaagde materialen die kunnen worden gestapeld om functionele heterostructuren te bouwen. In dergelijke structuren die zijn gebouwd door atomaire depositie, zijn 2D-lagen zwak gebonden door van der Waals-interacties en kunnen ze uit elkaar worden gehaald in sommige oplosmiddelen of thermische processen. Het gebrek aan controle over de interface van de twee materialen in termen van elektronische communicatie, chemische aard of tussenlaagafstand belemmert dus de constructie van robuuste multifunctionele apparaten.

Een team van onderzoekers van de Universidad Autónoma de Madrid en IMDEA Nanociencia (Spanje) hebben voor het eerst covalente lagen van 2D-materialen met elkaar verbonden: MoS₂ en grafeen. Het team heeft de gereedschappen van de synthetische chemie gebruikt om verschillende vlokken MoS . te “naaien”₂ naar enkellaagse grafeenapparaten, met behulp van een bifunctioneel molecuul met twee ankerpunten. De resultaten, nu gepubliceerd in Natuurchemielaten zien dat de uiteindelijke elektronische eigenschappen van de heterostructuur worden gedomineerd door de moleculaire interface.

De combinatie van de halfgeleidende eigenschappen van overgangsmetaal dichalcogenide MoS₂ met de hoge dragermobiliteit van grafeen is bijzonder aantrekkelijk voor meerdere toepassingen. De groep bouwde veldeffecttransistoren om de elektrische eigenschappen van de structuur te testen. Ze vonden een wijziging in de poortspanningskarakteristiek, met een verschuiving van de Dirac-kegel naar positieve spanningen en een verlaging van de stroom tot een minimum.

Deze stroomonderdrukking in grafeen is ondubbelzinnig geassocieerd met de verstoring van de sp² hybridisatie in sp³ door de vorming van covalente bindingen. Een controle-experiment met ongerepte MoS₂ gesuspendeerd bovenop grafeen vertoonde geen significante veranderingen in de intensiteit van de D-band. Interessant is dat de mobiliteit van ladingsdragers behouden blijft na functionalisering en vorming van covalente bindingen tussen MoS₂ en grafeen, waarbij de mate van grafeendoping controleerbaar is via de mate van functionalisering.

De fabricage van deze 2D-2D covalente heterostructuren is relatief eenvoudig. Een siliciumsubstraat met een enkellaags grafeenvel werd ondergedompeld in een suspensie van gefunctionaliseerd MoS₂ in water van 35 °C. Twee uur functionalisering was voldoende om de covalente binding in de meeste grafeenvlekken te bevorderen. Om de covalente functionalisering te bevestigen, werd Raman-spectroscopie uitgevoerd om de transformatie van sp . te volgen² koolstofatomen van het grafeen naar sp³ als indicatie van de vorming van een nieuwe CC-obligatie.

Voor het eerst hebben onderzoekers de hulpmiddelen van de chemie gebruikt om 2D-materialen covalent te binden. De resultaten tonen de kracht van de chemische benadering om MoS . te bouwen₂-grafeen heterostructuren voorbij van der Waals met behoud van de dragermobiliteit van grafeen voor hoogwaardige FET-apparaten. De verticale covalente verbinding brengt een extra hefboom naar de uiteindelijke eigenschappen van nanodevices die verder gaan dan de intrinsieke eigenschappen van de materialen, en heeft het potentieel voor gemakkelijke homologatie met hoge doorvoer.