Een Van der Waals-heterostructuur is een synthetisch materiaal dat is opgebouwd uit een stapeling van verschillende tweedimensionale atomische kristallen (monolagen van 1 atoomdikte). De twee best gekende voorbeelden van tweedimensionale kristallen zijn grafeen, een laag bestaande uit koolstofatomen, en hexagonaal boornitride (hBN) dat ook "wit grafeen" wordt genoemd, een laag van afwisselend stikstof- en booratomen. Andere gekende 2D-kristallen die bij kamertemperatuur stabiel zijn, zijn onder meer fluorgrafeen waarin aan elk koolstofatoom een fluoratoom verbonden is; grafeenoxide, en 2D-chalcogeniden (MoS2, WS2, MoSe2, WSe2).
Eigenschappen van veelgebruikte 2D-materialen Grafeen, bestaande uit een enkele laag koolstofatomen, heeft een hoge elektronenmobiliteit en een hoge thermische geleidbaarheid. Een van de problemen met grafeen is het ontbreken van een bandafstand (bandgap), wat vooral problematisch is voor digitale elektronica omdat het niet mogelijk is om veldeffecttransistors (FET's) volledig uit te schakelen. Nanovellen van andere elementen uit groep IV (Si, Ge en Sn) vertonen structurele en elektronische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met grafeen.
Hexagonaal boornitride (h-BN) in monolaagvorm is een isolator met een grote bandafstand (5,97 eV). Het kan echter ook functioneren als halfgeleider met verbeterde geleidbaarheid dankzij scherpe zigzagranden en vacatures. h-BN wordt vaak gebruikt als substraat en barrière vanwege zijn isolerende eigenschap. h-BN heeft ook een hoge thermische geleidbaarheid.
Monolagen van overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMDC's) zijn een klasse van tweedimensionale materialen met de chemische formule MX₂, waarbij M staat voor overgangsmetalen uit groep IV, V en VI, en X voor een chalcogeen zoals zwavel, seleen of telluur. MoS₂, MoSe₂, MoTe₂, WS₂ en WSe₂ zijn TMDC's. TMDC's hebben een gelaagde structuur met een vlak van metaalatomen tussen twee vlakken van chalcogeenatomen. Elke laag is sterk gebonden in het vlak, maar zwak tussen de lagen. Daarom kunnen TMDC's gemakkelijk worden geëxfolieerd tot atomaire lagen met verschillende methoden. TMDC's vertonen laagafhankelijke optische en elektrische eigenschappen. Bij exfoliatie tot monolagen verandert de bandafstand van verschillende TMDC's van indirect naar direct, wat leidt tot brede toepassingen in nano-elektronica, opto-elektronica en kwantumcomputing.
Opbouw en productie Een heterostructuur bestaat dan uit een stapeling van monolagen van verschillende materialen, bijvoorbeeld grafeen plus boornitride en eventueel nog andere. Ze worden meestal geproduceerd met een Chemical vapor deposition (CVD)-methode. Het materiaal wordt bijeengehouden door sterke covalente bindingen binnen eenzelfde laag en door zwakkere vanderwaalskrachten tussen de lagen onderling; vandaar de naam van de materialen. Men kan het zich voorstellen alsof de lagen op elkaar liggen als LEGO-blokjes.
Toepassingen Door verschillende lagen in een precies gekozen opeenvolging te stapelen kan men gericht materialen met specifieke elektronische eigenschappen maken, die onder meer in tunnelveldeffecttransistoren (TFET), fotovoltaïsche apparaten en leds toepasbaar zijn. "Light-emitting diodes by band-structure engineering in van der Waals heterostructures." Nature Materials (2015), vol. 14, blz. 301-306.
Onderzoeksgeschiedenis De studie van deze structuren is in een stroomversnelling gekomen nadat de studie van afzonderlijke monolagen over haar hoogtepunt heen was., "Van der Waals heterostructures". Nature, 25 juli 2013, vol. 499 blz. 419-425.
Referències
Categorie:Materiaal Categorie:Elektronica