Il diagramma mostra la struttura a foglio piatto del materiale utilizzato dal team del MIT, bisolfuro di molibdeno. Gli atomi di molibdeno sono mostrati in verde acqua, e atomi di zolfo in giallo. Immagine per gentile concessione di Wang et al.
La scoperta del grafene, un materiale spesso solo un atomo e che possiede una resistenza eccezionale e altre nuove proprietà, ha avviato una valanga di ricerche sul suo utilizzo per tutto, dall'elettronica all'ottica ai materiali strutturali. Ma una nuova ricerca suggerisce che questo era solo l'inizio:un'intera famiglia di materiali bidimensionali potrebbe aprire possibilità ancora più ampie per applicazioni che potrebbero cambiare molti aspetti della vita moderna.
L'ultimo "nuovo" materiale, bisolfuro di molibdeno (MoS 2 ) — che è stato effettivamente utilizzato per decenni, ma non nella sua forma 2-D - è stato descritto per la prima volta solo un anno fa da ricercatori in Svizzera. Ma in quell'anno, i ricercatori del MIT - che hanno lottato per diversi anni per costruire circuiti elettronici in grafene con risultati molto limitati (ad eccezione delle applicazioni a radiofrequenza) - sono già riusciti a realizzare una varietà di componenti elettronici da MoS 2 . Dicono che il materiale potrebbe aiutare a inaugurare prodotti radicalmente nuovi, da intere pareti che brillano ai vestiti con elettronica incorporata agli occhiali con schermi di visualizzazione incorporati.
Un rapporto sulla produzione di circuiti elettronici complessi dal nuovo materiale è stato pubblicato online questo mese sulla rivista Nano lettere ; il documento è scritto da Han Wang e Lili Yu, dottorandi del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS); Tomás Palacios, l'Emmanuel E. Landsman Professore Associato di EECS; e altri al MIT e altrove.
Palacios dice che pensa al grafene e al MoS 2 sono solo l'inizio di un nuovo regno di ricerca sui materiali bidimensionali. "È il momento più emozionante per l'elettronica degli ultimi 20 o 30 anni, " dice. "Sta aprendo la porta a un dominio completamente nuovo di materiali e dispositivi elettronici".
Come il grafene, stesso una forma 2-D di grafite, il bisolfuro di molibdeno è stato utilizzato per molti anni come lubrificante industriale. Ma non era mai stato visto come una piattaforma 2-D per dispositivi elettronici fino all'anno scorso, quando gli scienziati dell'università svizzera EPFL hanno prodotto un transistor sul materiale.
I ricercatori del MIT sono entrati rapidamente in azione:Yi-Hsien Lee, un postdoc nel gruppo del professore associato Jing Kong in EECS, trovato un buon modo per realizzare grandi fogli di materiale utilizzando un processo di deposizione chimica da vapore. Lee ha ideato questo metodo mentre lavorava con Lain-Jong Li all'Academia Sinica di Taiwan e lo ha migliorato dopo essere arrivato al MIT. Palazzi, Wang e Yu si misero quindi a produrre blocchi di circuiti elettronici sui fogli realizzati da Lee, così come su MoS 2 fiocchi prodotti con un metodo meccanico, che sono stati utilizzati per il lavoro descritto nel nuovo documento.
Un'immagine al microscopio ottico mostra un complesso circuito integrato, chiamato circuito flip-flop JK, un dispositivo logico di base, realizzato su un pezzo di bisolfuro di molibdeno dal team del MIT. Immagine per gentile concessione di Wang et al.
Wang aveva lottato per costruire circuiti sul grafene per la sua ricerca di tesi di dottorato, ma ho trovato molto più facile da fare con il nuovo materiale. C'era un "forte collo di bottiglia" per fare progressi con il grafene, lui spiega, perché quel materiale manca di un bandgap, la proprietà chiave che rende possibile creare transistor, il componente di base dei circuiti logici e di memoria. Mentre il grafene deve essere modificato in modi rigorosi per creare un bandgap, MoS 2 solo naturalmente viene con uno.
La mancanza di un bandgap, Wang spiega, significa che con un interruttore in grafene, "puoi accenderlo, ma non puoi spegnerlo. Ciò significa che non puoi fare la logica digitale." Quindi le persone hanno cercato per anni un materiale che condivida alcune delle straordinarie proprietà del grafene, ma ha anche questa qualità mancante, come fa il bisolfuro di molibdeno.
Poiché è già ampiamente prodotto come lubrificante, e grazie al lavoro in corso presso il MIT e altri laboratori per trasformarlo in fogli di grandi dimensioni, aumentare la produzione del materiale per usi pratici dovrebbe essere molto più semplice rispetto ad altri nuovi materiali, Wang e Palacios dicono.
Wang e Palacios sono stati in grado di fabbricare una varietà di dispositivi elettronici di base sul materiale:un inverter, che commuta una tensione di ingresso al suo opposto; una porta NAND, un elemento logico di base che può essere combinato per eseguire quasi ogni tipo di operazione logica; un dispositivo di memoria, uno dei componenti chiave di tutti i dispositivi computazionali; e un circuito più complesso chiamato oscillatore ad anello, composto da 12 transistor interconnessi, che può produrre un'uscita d'onda sintonizzata con precisione.
Palacios afferma che una potenziale applicazione del nuovo materiale sono i display a grande schermo come televisori e monitor di computer, dove un transistor separato controlla ogni pixel del display. Poiché il materiale è spesso solo una molecola - a differenza del silicio altamente purificato che viene utilizzato per i transistor convenzionali e deve avere uno spessore di milioni di atomi - anche un display molto grande utilizzerebbe solo una quantità infinitesimale di materie prime. Ciò potrebbe potenzialmente ridurre i costi e il peso e migliorare l'efficienza energetica.
Nel futuro, potrebbe anche abilitare tipi completamente nuovi di dispositivi. Il materiale potrebbe essere utilizzato, in combinazione con altri materiali 2-D, per realizzare dispositivi emettitori di luce. Invece di produrre una sorgente puntiforme di luce da una lampadina, si potrebbe far risplendere un intero muro, producendo più morbido, luce meno abbagliante. Allo stesso modo, l'antenna e altri circuiti di un cellulare potrebbero essere intrecciati in tessuto, fornendo un'antenna molto più sensibile che richiede meno energia e potrebbe essere incorporata nei vestiti, dice Palacio.
Il materiale è così sottile che è completamente trasparente, e può essere depositato praticamente su qualsiasi altro materiale. Per esempio, MoS 2 potrebbe essere applicato al vetro, producendo display integrati in un paio di occhiali o nella finestra di una casa o di un ufficio.
Ali Javey, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California a Berkeley, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, dice materiali stratificati come MoS 2 sono "una classe promettente di materiali per l'elettronica futura, " ma avverte che "il futuro sembra brillante per i semiconduttori a strati, ma c'è ancora del lavoro da fare per comprendere meglio i loro limiti di prestazioni e la produzione su larga scala".
Globale, Javey dice, la ricerca del team del MIT è un lavoro "elegante" che "fa un importante passo avanti nell'avanzamento del campo dei semiconduttori a strati".
Oltre a Palacio, Kong, Wang, Yu e Lee, il lavoro è stato svolto dallo studente laureato Allen Hsu e dall'affiliato del MIT Yumeng Shi, con i ricercatori del laboratorio di ricerca dell'esercito americano Matthew Chin e Madan Dubey, e Lain-Jong Li dell'Academia Sinica di Taiwan. Il lavoro è stato finanziato dall'Ufficio di ricerca navale degli Stati Uniti, il Centro di attenzione per i materiali della Microelectronics Advanced Research Corporation, la National Science Foundation e il Laboratorio di ricerca dell'esercito.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
