开发了一种新方法来隔离原子片并创建新材料

该图像显示了原子薄的半导体晶圆(MoS2单层,每个面板的横向尺寸约为1cm,晶圆厚度仅为0.7nm)。我们使用金胶带法从MoS2单晶的逐层剥离中获得了这些单层膜。这些图像已经过Photoshop处理,具有艺术魅力。

新的剥落方法使大面积的原子薄层可以按任何所需的顺序和方向堆叠,从而生成一类全新的人造材料。为新的研究和商业化打开了大门。

分层范德华(vdW)晶体的二维材料在电子,光电子和量子设备中具有广阔的前景,但由于缺乏高通量技术来剥离具有足够尺寸的单晶单分子膜,因此制造/制造它们受到了限制和高质量。哥伦比亚大学的研究人员昨天(2020年2月21日)在《科学》杂志上报道说,他们已经发明了一种新方法-使用超平坦金膜-将vdW单晶逐层分解为单层,具有接近统一的产量,并且尺寸仅受块状晶体尺寸的限制。

使用这种技术生成的单层膜具有与传统“透明胶带”剥离膜所形成的单层膜相同的高质量,但是大约大了一百万倍。可以将单层组装成宏观的人工结构,其具有在常规生长的块状晶体中不容易产生的特性。例如,二硫化钼层可以彼此对齐,从而使所得的叠层缺乏镜面对称性,结果显示出强烈的非线性光学响应,在该处吸收红光并发出紫外光,此过程称为二次谐波生成。

“这种方法使我们更接近批量生产具有可控特性的宏观单层和类似块状的人工材料,”机械工程学教授王芳仁(James Hone)联合PI James Hone说。

15年前的发现发现,单原子碳片(石墨烯)可以很容易地从石墨的大晶体中分离出来,并被研究为完美的2D材料,这一发现获得了2010年诺贝尔物理学奖。从那时起,全世界的研究人员研究了各种2D材料的特性和应用,并学习了如何将这些层组合成堆叠的异质结构,而异质结构本质上是新的混合材料。最初为石墨烯开发的透明胶带方法使用粘合剂聚合物将晶体拉开,该方法易于实施,但控制不佳,只能产生有限尺寸的2D薄片(通常跨度为数十微米,或者为十字形,单根头发的一部分。

现场和未来制造的主要挑战是如何在确定性过程中将该过程按比例放大到更大的尺寸,该过程可按需生产2D图纸。扩大2D材料生产的主要方法是薄膜的生长,虽然取得了巨大的成功,但仍然面临着材料质量,可再现性和所需温度方面的挑战。其他研究小组率先使用金剥落较大的2D薄片,但采用的方法要么将2D薄片留在金基底上,要么涉及蒸发损坏2D材料的热金原子的中间步骤。

“在研究中,我们受到半导体行业的启发,半导体行业通过生长大型单晶并将它们切成薄片来制造用于计算机芯片的超纯硅晶片,”哥伦比亚大学Howard家庭纳米科学教授PI Xiaoyang Zhu表示。化学系。“我们的方法在原子尺度上做到这一点:我们从分层材料的高纯度晶体开始,一次剥离一层,从而获得与母体晶体尺寸相同的高纯度2D薄片。”

研究人员从获得诺贝尔奖的透明胶带方法中汲取了教训,并开发了超扁平金胶带,而不是粘性聚合物胶带。原子平坦的金表面牢固而均匀地粘附在2D材料的晶体表面上,并逐层分解。这些层的大小和尺寸与原始晶体相同,从而提供了远远超出使用透明胶带所能达到的控制程度。

论文的第一作者,博士后学者方芳说:“金胶带法足够温和,所产生的薄片与透明胶带技术所制得的薄片具有相同的质量。”“而且特别令人兴奋的是,我们可以按照任何所需的顺序和方向堆叠这些原子薄的晶圆,以生成全新的人造材料类。”

这项工作是在由国家科学基金会资助并由Hone领导的材料科学与工程研究中心的上层和超原子固体的精密组装中心进行的。该研究项目使用了由哥伦比亚纳米计划(Columbia Nano Initiative)运营的共享设施。

受“ twistronics”最新激动人心的进步的激励,该团队现在正在探索在这些人造材料的层之间增加小的旋转。为此,他们希望在宏观上实现对量子特性(如超导电性)的显着控制,最近已在微米尺寸的薄片中证明了这一点。他们还致力于将其新技术扩展为适用于所有类型的分层材料的通用方法,并正在寻求用于大规模生产和商业化的潜在机器人自动化。

参考:刘芳,吴文静,白玉松,桑勋彩,李秋阳,王觉,詹姆斯·霍恩和X.-Y,“将二维范德华晶体分解为宏观的单分子层,并重新组装为人工晶格”。朱,科学。DOI:
10.1126 / science.aba1416

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