Crear materiales bidimensionales lo suficientemente grandes para usar en electrónica es un desafío a pesar del enorme esfuerzo, pero ahora, Los investigadores de Penn State han descubierto un método para mejorar la calidad de una clase de materiales 2-D, con potencial para lograr un crecimiento a escala de obleas en el futuro.

El campo de los materiales 2-D con propiedades inusuales se ha disparado en los 15 años desde que Konstantin Novoselov y Andre Geim sacaron una sola capa atómica de átomos de carbono del grafeno a granel utilizando una simple cinta adhesiva. Aunque se ha realizado una gran cantidad de ciencia sobre estos pequeños fragmentos de grafeno, Las capas de tamaño industrial son difíciles de cultivar.

De los materiales previstos para la electrónica de próxima generación, un grupo de semiconductores llamados dicalcogenuros de metales de transición están a la vanguardia. Los TMD tienen solo unos pocos átomos de espesor, pero son muy eficientes para emitir luz, lo que los convierte en candidatos para optoelectrónica como diodos emisores de luz, fotodetectores, o emisores de fotón único.

"Nuestro objetivo final es hacer películas monocapa de hojas de diselenuro de tungsteno o disulfuro de molibdeno, y depositarlos mediante deposición química de vapor de tal manera que obtengamos una capa monocristalina perfecta sobre una oblea completa, "dijo Joan Redwing, profesor de ciencia de los materiales y electrónica, y director del 2-D Crystal Consortium de Penn State, una Plataforma de Innovación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias.

El problema proviene de la forma en que los átomos se organizan cuando se depositan en un sustrato estándar, como el zafiro. Debido a la estructura cristalina de los TMD, forman triángulos cuando comienzan a extenderse por el sustrato. Los triángulos se pueden orientar en direcciones opuestas, con igual probabilidad. Cuando chocan y se fusionan entre sí para formar una hoja continua, el límite que forman es como un gran defecto que reduce drásticamente las propiedades electrónicas y ópticas del cristal.

"Cuando los portadores de carga, como electrones o huecos, encuentro este defecto, llamado límite de dominio de inversión, pueden esparcirse, ", Dijo Redwing." Este ha sido un problema clásico con el crecimiento de TMD ".

En publicaciones recientes en las revistas ACS Nano y Revisión física B , investigadores de los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State, Física, Química, y la ciencia de la ingeniería y la mecánica muestran que si los TMD se cultivan en una superficie de nitruro de boro hexagonal, 85 por ciento o más apuntará en la misma dirección. Vin Crespi, distinguido profesor de física, ciencia e ingeniería de materiales y química, y su grupo realizó simulaciones para explicar por qué sucedió esto. Descubrieron que las vacantes en la superficie hexagonal de nitruro de boro, donde faltaba un átomo de boro o nitrógeno, podría atrapar un átomo de metal, tungsteno o molibdeno, y servir para orientar los triángulos en una dirección preferida. El material mejorado mostró una mayor emisión de fotoluminiscencia y un orden de magnitud mayor de movilidad de electrones en comparación con los TMD 2-D cultivados en zafiro.

"Nuestro siguiente paso es desarrollar un proceso para cultivar nitruro de boro hexagonal en una escala de obleas, "Dijo Redwing." Eso es en lo que estamos trabajando ahora. Es difícil controlar los defectos y hacer crecer una sola capa de cristal en una gran superficie. Muchos grupos están trabajando en esto ".