연구팀은 초박막 "2 차원"시트의 교차 층 원자 수가 적은 새로운 종류의 인공 "초격자"를 만들 수 있는 방법을 개발했다. 교차하는 층이 유사한 원자 구조를 가지며 따라서 이와 유사한 전자 특성을 갖는 현재의 최첨단 초격자와는 달리, 이들 교차 층은 이전에 가능하지 않은 근본적으로 다른 구조, 특성 및 기능을 가질 수 있다.

예를 들어, 이 새로운 종류의 초격자의 한 층은 전자를 빠르게 통과할 수 있지만, 다른 유형의 층은 절연체의 역할을 할 수 있다. 이 설계는 전자 및 광학 특성을 단일 활성층에 한정하고 이들이 다른 절연층과 간섭하는 것을 방지한다.

이러한 초격자는 개선된 새로운 클래스의 전자 및 광전자 장치의 기초를 형성 할 수 있다. 응용에는 컴퓨터 및 스마트 장치의 트랜지스터용 초고속 및 초 효율적인 반도체, 고급 LED 및 레이저가 포함된다.

2D 초격자를 만드는데 사용되는 기존의 층별 어셈블리 또는 성장 방법과 비교하여 2D 소재로부터 초격자를 제조하는 새로운 프로세스가 훨씬 빠르고 효율적이다. 가장 중요한 것은 이 새로운 방법이 수십, 수백 또는 수천 개의 교차 층을 가진 초격자를 쉽게 생성한다는 것인데, 이는 다른 접근법으로는 아직 불가능하다.

이 새로운 종류의 초격자는 다양한 모양과 크기의 분자가 섞인 2D 원자 결정 시트를 번갈아 사용한다. 실제로 이 분자 층은 "반 데르 발스 (van der Waals)"힘에 의해 제 위치에 고정되어 있기 때문에 두 번째 "시트"가 된다. 이 새로운 초격자들은 "단일 층 원자 결정 분자 초격자 (monolayer atomic crystal molecular superlattices)"라 불린다.

이 연구는 최근 네이처 ("Monolayer atomic crystal molecular superlattices")에 게재되었다.

전통적인 반도체 초격자는 대개 유사 전자 구조가 있는 매우 유사한 격자 대칭을 가진 물질로만 만들어 질 수 있다. 처음으로 급격하게 다른 층을 가진 안정적인 초격자 구조를 만들었지만 각 층 내에서 거의 완벽한 원자 분자 배열을 만들었다. 이 새로운 종류의 초격자 구조는 잠재적인 기술적 응용과 과학적 연구를 위해 맞춤 가능한 전자 특성을 가지고 있다.

초격자를 만드는 현재의 방법은 수동으로 초박막 층을 다른 층의 상부에 적층하는 것이다. 그러나 이것은 노동 집약적이다. 또한, 박편 형 시트는 깨지기 쉽기 때문에, 배치 공정 중에 많은 시트가 부서져 장시간을 필요로 한다. 다른 방법은 "화학 기상 증착 (chemical vapor deposition)"이라는 프로세스를 사용하여 하나의 새로운 레이어를 다른 레이어 위에 쌓는 것이다. 그러나 그것은 열, 압력 또는 화학적 환경과 같은 다른 조건이 각 층을 성장시키는데 필요하다는 것을 의미하기 때문에 그 과정은 그 아래의 층을 변경하거나 파괴할 수 있다. 이 방법은 노동 집약적이며 낮은 수율을 제공한다.

단층 원자 결정 분자 초격자를 만드는 새로운 방법은 "전기 화학적 인터칼레이션 (electrochemical intercalation)"이라는 프로세스를 사용하는데 이 프로세스에서 음의 전압이 적용된다. 이것은 2D 재료에 음으로 대전 된 전자를 주입한다. 그러면, 이것은 원자 층 사이의 공간으로 양으로 대전된 암모늄 분자를 끌어 당긴다. 이 암모늄 분자는 자동으로 정렬된 결정 구조의 새로운 층으로 모여서 초격자를 만든다.

연구진은 처음에 흑인(black phosphorus)을 기본 2D 원자 결정 물질로 사용하는 새로운 기술을 시연했다. 음의 전압을 사용하여, 양으로 대전 된 암모늄 이온이 기본 재료로 끌어 당겨지며, 층상 원자인 시트 사이에 삽입되었다.

그 성공에 이어, 연구팀은 광범위한 종류의 초격자 (superlattices)를 만들기 위해 다양한 크기와 대칭을 지닌 다양한 유형의 암모늄 분자를 일련의 2D 물질에 삽입했다. 연구팀은 원하는 전자 및 광학 특성의 다양한 범위를 갖는 단일 층 원자 결정 분자 초 격자의 구조를 조정할 수 있음을 발견했다. 이로써 더 적은 전력을 소비하는 더 빠른 트랜지스터를 만들거나 효율적인 빛을 생성하는데 유용할 수 있다.