High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

Stel je een wereld voor waarin de materialen die onze elektronica aandrijven geen dikke blokken silicium zijn, maar vellen die zo dun zijn dat ze slechts een enkele laag atomen dik zijn. Deze ultradunne materialen, bekend als tweedimensionale halfgeleiders, zijn ongelooflijk sterk en flexibel, in staat om te rekken zonder te breken. Wetenschappers weten al lang dat als je een dergelijk materiaal uitrekt, je kunt veranderen hoe het elektriciteit geleidt en hoe het met licht interageert. Dit is vergelijkbaar met hoe het uitrekken van een elastiekje de vorm verandert, maar in deze atomaire vellen herschrijft het uitrekkenets de regels van de interne energie van het materiaal. Als ingenieurs deze rek precies zouden kunnen beheersen, zouden ze snellere computers en efficiëntere zonnecellen kunnen bouwen. Echter, tot nu toe waren de methoden die werden gebruikt om deze materialen uit te rekken onhandig. Ze konden het materiaal ofwel een klein beetje uitrekken, of ze konden het veel uitrekken, maar dan slechts voor enkele seconden voordat het terugschoot of zijn vorm verloor. Er was geen manier om een sterke rek op zijn plaats te houden terwijl men ook precies kon beslissen waar en in welke richting men het materiaal wilde uitrekken.

Een team van onderzoekers heeft dit probleem nu opgelost door een nieuwe manier te creëren om deze atomaire vellen maandenlang in een uitgerekte staat te houden, met volledige controle over de rek. Ze bereikten dit door microscopische landschappen op een oppervlak te printen en de atomaire vellen eroverheen te draperen als een laken over een matras. De onderzoekers gebruikten een speciale printtechniek die in staat is om minuscule, driedimensionale valleien met precieze vormen te creëren. Ze namen een enkele laag van een materiaal genaamd molybdeendisulfide, een veelvoorkomende halfgeleider, en brachten deze zorgvuldig over op de geprinte oppervlakken. Omdat het materiaal zo dun en flexibel is, nestelde het zich perfect in de valleien en rekte het uit om de contouren te volgen. Door de diepte en breedte van deze valleien te veranderen, kon het team precies controleren hoeveel het materiaal werd uitgerekt. In sommige gebieden werd het materiaal ongeveer 2,2 procent uitgerekt, wat een aanzienlijke hoeveelheid is voor een materiaal dat zo dun is, en deze rek bleef meer dan acht maanden stabiel.

De kracht van deze methode ligt in de precisie. De onderzoekers hebben de hele plaat niet alleen gelijkmatig uitgerekt; ze creëerden een landschap waarin de mate van rek geleidelijk veranderde van de ene plek naar de andere. Ze brachten dit in kaart en vonden dat de rek met ongeveer 0,1 procent veranderde voor elke micrometer afstand over het materiaal. Dit betekent dat ze een vloeiende gradiënt van spanning konden creëren, waardoor verschillende delen van dezelfde minuscule plaat anders kunnen reageren. In de gebieden waar het materiaal het meest werd uitgerekt, maten de onderzoekers een verandering in de energiekloof, de drempel die nodig is voor de stroom van elektriciteit. Ze vonden dat de energiekloof met ongeveer 0,4 elektronvolt verschoof, een kwart van het natuurlijke energiebereik van het materiaal. Dit bevestigt dat zij, door simpelweg de vorm van het onderliggende oppervlak te veranderen, de elektronische eigenschappen van het materiaal lokaal konden afstemmen.

Naast het feit dat ze het materiaal in alle richtingen tegelijk konden uitrekken, lieten de onderzoekers ook zien dat ze het in slechts één richting konden uitrekken. Door lange, geulachtige groeven te printen in plaats van ronde valleien, dwongen ze het materiaal om meer langs de lengte van de geul te rekken dan er dwars overheen. Dit is belangrijk omdat rekken in één richting de eigenschappen van het materiaal anders verandert dan rekken in alle richtingen. Ze demonstreerden dat ze een ronde vallei en een lange geul naast elkaar op hetzelfde stuk materiaal konden plaatsen, waardoor ze twee verschillende rek-omgevingen naast elkaar creëerden. In de ronde vallei rekte het materiaal gelijkmatig in alle richtingen, terwijl het in de geul vooral in één richting werd uitgerekt. Deze mogelijkheid om zowel de hoeveelheid als de richting van de rek binnen een enkel vel te programmeren, opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van complexe elektronische circuits op microscopische schaal.

De onderzoekers testten deze methode ook op een stapel van twee verschillende atomaire vellen, een combinatie van molybdeendisulfide en wolfraamdisulfide. Ze ontdekten dat de onderste laag, die direct contact maakte met het geprinte oppervlak, meer uitrekte dan de bovenste laag. Dit gebeurde omdat de twee lagen enigszins langs elkaar kunnen glijden, een fenomeen dat bekend staat als interlagen-slippage. Deze observatie is cruciaal omdat het aantoont dat de methode zelfs werkt met complexe stapels materialen, die vaak worden gebruikt bij het bouwen van geavanceerde apparaten. Het team verifieerde hun resultaten met verschillende instrumenten. Ze gebruikten een laser om de trillingen van de atomen te meten om de rek te bevestigen, en ze gebruikten een minuscule elektrische probe om te meten hoe het materiaal elektriciteit geleidde. Ze gebruikten ook computersimulaties om te voorspellen hoe het materiaal zich zou gedragen, en hun metingen in de echte wereld kwamen nauw overeen met deze voorspellingen.

Een van de meest significante aspecten van dit werk is de stabiliteit van de resultaten. Veel eerdere pogingen om deze materialen uit te rekken vertrouwden op tijdelijke krachten die snel zouden vervagen. In deze studie controleerden de onderzoekers hun monsters opnieuw na vier maanden en weer na acht maanden. De rek bleef exact hetzelfde, zonder enige teken dat het materiaal ontspande of zijn vorm verloor. Deze langetermijnstabiliteit suggereert dat de methode kan worden gebruikt om echte apparaten te bouwen die betrouwbaar moeten functioneren over een langere periode. De gebruikte materialen om de microscopische landschappen te printen waren transparant, waardoor de onderzoekers door de oppervlakken heen konden kijken en de atomaire vellen konden meten zonder enige interferentie. Hoewel het huidige printmateriaal een type polymeer is, merkten de onderzoekers op dat vergelijkbare technieken gebruikt kunnen worden met materialen die in glas veranderen, wat de aanpak nog geschikter zou maken voor toekomstige elektronische apparaten.

Dit werk vertegenwoordigt een verschuiving van het simpelweg observeren van hoe deze materialen zich gedragen naar het actief ontwerpen van hun gedrag. Door het oppervlak onder het materiaal als een programmeerbaar hulpmiddel te behandelen, hebben de onderzoekers een manier gecreëerd om de elektronische en optische eigenschappen van deze vellen met hoge precisie te manipuleren. Ze hebben aangetoond dat het mogelijk is om sterke, blijvende rek te creëren die kan worden afgestemd op specifieke behoeften, of het nu gaat om het gelijkmatig uitrekken van een materiaal, het uitrekken in één richting, of het creëren van een vloeiende gradiënt van rek over een oppervlak. Dit niveau van controle kan leiden tot de ontwikkeling van nieuwe soorten sensoren, zonnecellen en computerchips die lichter, efficiënter en in staat zijn tot taken die momenteel onmogelijk zijn met traditionele materialen. Het vermogen om deze materialen maandenlang in een uitgerekte staat te houden zonder dat ze terugschieten, betekent dat deze gemanipuleerde eigenschappen geen vluchtig experiment zijn, maar een duurzaam kenmerk dat kan worden ingebouwd in de volgende generatie technologie.