Vista dall'alto della superficie del modello computerizzato 3D (a sinistra) e dell'immagine della microscopia a forza atomica (a destra) del nuovo film realizzato dagli scienziati dell'Università di Tokyo. La struttura ben organizzata delle molecole è visibile sia nel modello computerizzato 3D che nell'immagine al microscopio come un motivo a spina di pesce o mirino. Le differenze di colore nell'immagine al microscopio sono il risultato delle diverse lunghezze delle code delle molecole; le differenze di lunghezza causano la frustrazione geometrica che impedisce l'accatastamento degli strati. pm =picometri, nm =nanometriCredito:Shunto Arai e Tatsuo Hasegawa
Ricercatori giapponesi hanno sviluppato un nuovo metodo per costruire grandi aree di materiale semiconduttivo con uno spessore di appena due molecole e un'altezza totale di 4,4 nanometri. I film funzionano come transistor a film sottile, e hanno potenziali applicazioni future nell'elettronica flessibile o nei rivelatori chimici. Questi transistor a film sottile sono il primo esempio di doppio strato molecolare semiconduttivo creato con l'elaborazione di soluzioni liquide, un processo di produzione standard che riduce al minimo i costi.
"Vogliamo dare ai dispositivi elettronici le caratteristiche delle vere membrane cellulari:flessibili, forte, sensibile, e super sottile. Abbiamo trovato un nuovo modo per progettare doppi strati molecolari semiconduttori che ci consente di produrre grandi aree superficiali, fino a 100 centimetri quadrati (39 pollici quadrati). Possono funzionare come transistor a film sottile ad alte prestazioni e potrebbero avere molte applicazioni in futuro, " ha detto l'assistente professore Shunto Arai, il primo autore della recente pubblicazione di ricerca.
Il professor Tatsuo Hasegawa del Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Tokyo ha guidato il team che ha realizzato il nuovo film. La svolta responsabile del loro successo è un concetto chiamato frustrazione geometrica, che utilizza una forma molecolare che rende difficile alle molecole di stabilirsi in più strati uno sopra l'altro.
La pellicola è trasparente, ma le forze di attrazione e repulsione tra le molecole creano un sistema organizzato, schema ripetuto a spina di pesce quando il film è visto dall'alto attraverso un microscopio. La struttura molecolare complessiva del doppio strato è altamente stabile. I ricercatori ritengono che dovrebbe essere possibile costruire la stessa struttura con molecole diverse con funzionalità diverse.
Rappresentazione artistica di molecole geometricamente frustrate. Le molecole sono allineate testa a testa (porzioni gialle) con le loro code rivolte in direzioni opposte (porzioni grigie) in modo che le molecole formino una linea verticale. Le diverse lunghezze della coda impediscono l'accumulo di strati aggiuntivi di molecole sulla parte superiore. I transistor a film sottile realizzati con singoli doppi strati molecolari avranno prestazioni del dispositivo migliori rispetto ai film irregolari o di spessore maggiore. Credito:Università di Tokyo
Le singole molecole utilizzate nel film attuale sono divise in due regioni:una testa e una coda. La testa di una molecola si impila sull'altra, con le loro code rivolte in direzioni opposte in modo che le molecole formino una linea verticale. Queste due molecole sono circondate da coppie di molecole identiche testa a testa, che tutti insieme formano un sandwich chiamato doppio strato molecolare.
I ricercatori hanno scoperto che potrebbero impedire l'accumulo di doppi strati aggiuntivi sulla parte superiore costruendo il doppio strato di molecole con code di lunghezza diversa, quindi le superfici del doppio strato sono ruvide e scoraggiano naturalmente l'impilamento. Questo effetto di diverse lunghezze è indicato come frustrazione geometrica.
I metodi standard per creare doppi strati molecolari semiconduttori non possono controllare lo spessore senza causare crepe o una superficie irregolare. La frustrazione geometrica delle code di lunghezza diversa ha permesso ai ricercatori di evitare queste insidie e di costruire un quadrato di 10 cm per 10 cm (3,9 pollici per 3,9 pollici) del loro film utilizzando il comune metodo industriale di elaborazione della soluzione.
Rappresentazione artistica del processo di soluzione di rivestimento della lama per produrre transistor a film sottile a doppio strato molecolare singolo. Le molecole liquide vengono distribuite da una lama sulla superficie di produzione a temperatura ambiente e pressione dell'aria standard in una tecnica chiamata elaborazione della soluzione. Mentre il liquido si asciuga, le forze intermolecolari fanno sì che le molecole si dispongano automaticamente in singoli doppi strati geometricamente frustrati di soli 4,4 nanometri di spessore. Crediti:Shunto Arai e Tatsuo Hasegawa
Le proprietà semiconduttive del doppio strato possono dare ai film applicazioni nell'elettronica flessibile o nel rilevamento chimico.
I semiconduttori sono in grado di commutare tra stati che consentono il flusso di elettricità (conduttori) e stati che impediscono il flusso di elettricità (isolanti). Questa commutazione on-off è ciò che consente ai transistor di cambiare rapidamente le immagini visualizzate, come un'immagine su uno schermo LCD. Il singolo doppio strato molecolare creato dal team UTokyo è molto più veloce dei transistor a film sottile di silicio amorfo, un tipo comune di semiconduttore attualmente utilizzato in elettronica.
