La stessa carica elettrostatica che può far rizzare i capelli e attaccare i palloncini ai vestiti potrebbe essere un modo efficiente per pilotare dispositivi di memoria elettronica atomicamente sottili del futuro, secondo un nuovo studio condotto da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia.

In uno studio pubblicato oggi sulla rivista Natura , gli scienziati hanno trovato un modo per cambiare in modo reversibile la struttura atomica di un materiale 2-D iniettando, o "doping, " con gli elettroni. Il processo utilizza molta meno energia rispetto ai metodi attuali per modificare la configurazione della struttura di un materiale.

"Noi mostriamo, per la prima volta, che è possibile iniettare elettroni per guidare i cambiamenti di fase strutturali nei materiali, " ha detto il ricercatore principale dello studio Xiang Zhang, scienziato senior della facoltà presso la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e professore alla UC Berkeley. "Aggiungendo elettroni in un materiale, l'energia complessiva sale e fa pendere l'ago della bilancia, con conseguente riorganizzazione della struttura atomica in un nuovo modello più stabile. Tali transizioni di fase strutturali guidate dal drogaggio elettronico al limite 2-D non sono importanti solo nella fisica fondamentale; apre anche le porte a nuove memorie elettroniche e switch a bassa potenza nella prossima generazione di dispositivi ultrasottili."

Il passaggio da una fase all'altra della configurazione strutturale di un materiale è fondamentale, caratteristica binaria che sta alla base dei circuiti digitali odierni. I componenti elettronici capaci di questa transizione di fase si sono ridotti a dimensioni sottilissime, ma sono ancora considerati ingombranti, Strati 3D dagli scienziati. A confronto, I materiali monostrato 2-D sono composti da un singolo strato di atomi o molecole il cui spessore è 100, 000 volte più piccolo di un capello umano.

"L'idea del drogaggio elettronico per alterare la struttura atomica di un materiale è unica per i materiali 2-D, che sono molto più sintonizzabili elettricamente rispetto ai materiali sfusi 3-D, ", ha affermato Jun Xiao, co-autore dello studio, uno studente laureato nel laboratorio di Zhang.

L'approccio classico per guidare la transizione strutturale dei materiali prevede il riscaldamento a oltre 500 gradi Celsius. Tali metodi sono ad alta intensità energetica e non realizzabili per applicazioni pratiche. Inoltre, il calore in eccesso può ridurre significativamente la durata dei componenti nei circuiti integrati.

Un certo numero di gruppi di ricerca ha anche studiato l'uso di sostanze chimiche per alterare la configurazione degli atomi nei materiali semiconduttori, ma questo processo è ancora difficile da controllare e non è stato ampiamente adottato dall'industria.

"Qui usiamo il doping elettrostatico per controllare la configurazione atomica di un materiale bidimensionale, ", ha affermato l'autore principale dello studio Ying Wang, un altro studente laureato nel laboratorio di Zhang. "Rispetto all'uso di prodotti chimici, il nostro metodo è reversibile e privo di impurità. Ha un maggiore potenziale di integrazione nella produzione di telefoni cellulari, computer e altri dispositivi elettronici".

I ricercatori hanno utilizzato ditelluride di molibdeno (MoTe2), un tipico semiconduttore 2-D, e rivestito con un liquido ionico (DEME-TFSI), che ha una capacità ultra elevata, o capacità di immagazzinare cariche elettriche. Lo strato di liquido ionico ha permesso ai ricercatori di iniettare nel semiconduttore elettroni a una densità da cento trilioni a un quadrilione per centimetro quadrato. È una densità di elettroni di uno o due ordini di grandezza superiore a quella che potrebbe essere ottenuta con materiali sfusi 3-D, hanno detto i ricercatori.

Attraverso l'analisi spettroscopica, i ricercatori hanno determinato che l'iniezione di elettroni ha cambiato la disposizione degli atomi del ditelluride di molibdeno da una forma esagonale a una monoclina, che ha più di una forma cuboide inclinata. Una volta ritirati gli elettroni, la struttura cristallina è tornata al suo originale schema esagonale, dimostrando che la transizione di fase è reversibile. Inoltre, questi due tipi di disposizioni atomiche hanno simmetrie molto diverse, fornendo un ampio contrasto per applicazioni in componenti ottici.

"Un dispositivo così atomicamente sottile potrebbe avere una doppia funzione, fungendo contemporaneamente da transistor ottici o elettrici, e quindi ampliare le funzionalità dell'elettronica utilizzata nella nostra vita quotidiana, " ha detto Wang.