La création de matériaux bidimensionnels suffisamment grands pour être utilisés en électronique est un défi malgré d'énormes efforts, mais maintenant, Des chercheurs de Penn State ont découvert une méthode pour améliorer la qualité d'une classe de matériaux 2D, avec le potentiel d'atteindre une croissance à l'échelle des plaquettes à l'avenir.

Le domaine des matériaux 2D aux propriétés inhabituelles a explosé au cours des 15 années depuis que Konstantin Novoselov et Andre Geim ont retiré une seule couche atomique d'atomes de carbone du graphène en vrac à l'aide d'un simple ruban adhésif. Bien qu'une grande quantité de science ait été menée sur ces petits fragments de graphène, les couches de taille industrielle sont difficiles à cultiver.

Parmi les matériaux envisagés pour l'électronique de nouvelle génération, un groupe de semi-conducteurs appelés dichalcogénures de métaux de transition est au premier plan. Les TMD n'ont que quelques atomes d'épaisseur mais sont très efficaces pour émettre de la lumière, ce qui en fait des candidats pour l'optoélectronique comme les diodes électroluminescentes, photodétecteurs, ou émetteurs à photon unique.

"Notre objectif ultime est de fabriquer des films monocouches de diséléniure de tungstène ou de bisulfure de molybdène, et de les déposer par dépôt chimique en phase vapeur de manière à obtenir une couche monocristalline parfaite sur une tranche entière, " a déclaré Joan Redwing, professeur de science des matériaux et d'électronique, et directeur du 2-D Crystal Consortium de Penn State, une plate-forme d'innovation des matériaux de la National Science Foundation.

Le problème vient de la façon dont les atomes s'organisent lorsqu'ils sont déposés sur un substrat standard, comme le saphir. En raison de la structure cristalline des TMD, ils forment des triangles lorsqu'ils commencent à se répandre sur le substrat. Les triangles peuvent être orientés dans des directions opposées, avec une probabilité égale. Lorsqu'elles se heurtent et se fondent l'une dans l'autre pour former une feuille continue, la frontière qu'ils forment est comme un grand défaut qui réduit considérablement les propriétés électroniques et optiques du cristal.

"Quand les porteurs de charges, comme des électrons ou des trous, rencontrer ce défaut, appelée limite de domaine d'inversion, ils peuvent se disperser, " Redwing a déclaré. "Cela a été un problème classique avec la croissance de TMD."

Dans des publications récentes dans les revues ACS Nano et Examen physique B , chercheurs des départements de science et d'ingénierie des matériaux de Penn State, La physique, Chimie, et Engineering Science and Mechanics montrent que si les TMD sont cultivés sur une surface de nitrure de bore hexagonal, 85 pour cent ou plus pointent dans la même direction. Vin Crespi, éminent professeur de physique, science et génie des matériaux et chimie, et son groupe a effectué des simulations pour expliquer pourquoi cela s'est produit. Ils ont découvert que les lacunes à la surface du nitrure de bore hexagonal, où un atome de bore ou d'azote manquait, pourrait piéger un atome de métal - tungstène ou molybdène - et servir à orienter les triangles dans une direction préférée. Le matériau amélioré a montré une émission de photoluminescence accrue et une mobilité électronique supérieure d'un ordre de grandeur par rapport aux TMD 2-D cultivés sur du saphir.

"Notre prochaine étape consiste à développer un procédé pour faire croître du nitrure de bore hexagonal à l'échelle d'une plaquette, " Aile Rouge. " C'est ce sur quoi nous travaillons maintenant. Il est difficile de contrôler les défauts et de faire croître une couche monocristalline sur une grande surface. De nombreux groupes travaillent là-dessus."