Il molibdeno/zolfo bidimensionale è un reticolo esagonale visto dall'alto, ma se visto di lato, come è qui, la sua forma a tre strati è evidente. Quando due fogli del materiale si incontrano, dislocazioni tridimensionali appaiono ai bordi del grano. Quando i fogli si incontrano con un angolo di 60 gradi, quei confini sono metallici, e conduttivo. Credito:Yakobson Group/Rice University
(Phys.org)—Una nuova struttura materiale prevista alla Rice University offre la possibilità allettante di un percorso del segnale più piccolo dei nanofili per l'elettronica avanzata ora in fase di sviluppo presso la Rice e altrove.
Il fisico teorico Boris Yakobson e il borsista Xiaolong Zou stavano studiando le proprietà su scala atomica dei materiali bidimensionali quando hanno scoperto con loro sorpresa che una particolare formazione, un bordo di grano in disolfuri metallici, crea un percorso metallico, e quindi conduttivo, largo solo una frazione di nanometro.
Questa è fondamentalmente la larghezza di una catena di atomi, ha detto Yakobson.
La scoperta riportata questa settimana sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere è nato da un'indagine su come gli atomi si relazionano energeticamente tra loro e formano difetti topologici nei semiconduttori bidimensionali. In lavori recenti, Il gruppo di Yakobson ha analizzato i difetti del grafene, il foglio di carbonio a un solo atomo che è sottoposto a un attento esame da parte dei laboratori di tutto il mondo.
Ma il grafene piatto non ha band gap; gli elettroni fluiscono direttamente. "C'è un grande sforzo per aprire una lacuna nel grafene, ma questo non è facile, " disse Yakobson, Karl F. Hasselmann di Rice, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali e professore di chimica. "Le persone stanno provando modi diversi, ma nessuno di loro è semplice. Questo ha motivato la ricerca di altri materiali bidimensionali".
Un'illustrazione animata mostra la disposizione precisa degli atomi in una possibile dislocazione in molibdeno/zolfo bidimensionale. Le dislocazioni si verificano quando due fioriture in crescita di materiale si uniscono ad angoli diversi nella deposizione di vapore chimico. Ad un angolo specifico, le linee lungo le quali si formano queste dislocazioni possono diventare conduttive. Credito:Xiaolong Zou/Rice University
I materiali a base di molibdeno/zolfo (o tungsteno/zolfo) stanno diventando interessanti per gli scienziati perché hanno un'utile banda proibita naturale, circa due elettronvolt nel caso di molibdeno/zolfo. E mentre sono tecnicamente materiali bidimensionali, le energie in gioco forzano i loro atomi in una disposizione sfalsata.
"È più complesso del grafene, " Yakobson ha detto. "C'è uno strato di metallo nel mezzo, con atomi di zolfo sopra e sotto, ma sono completamente collegati da legami covalenti in un reticolo a nido d'ape, quindi è un composto."
La deposizione chimica da vapore viene tipicamente utilizzata per far crescere tale materiale; ad alte temperature gli atomi (come il carbonio per il grafene) si allineano e formano fogli. Ma quando due di questi fiori appaiono e si incontrano, non necessariamente si allineano. Dove si fondono, formano i cosiddetti "confini del grano, " simile ai grani del legno che si uniscono ad angoli scomodi. (Pensa a un ramo che incontra un tronco d'albero.) Quei bordi dei grani influenzano le proprietà elettriche del materiale unito.
Zou ha calcolato quelle proprietà in base alle energie atomiche degli elementi. Guardando i legami elementari, i ricercatori hanno scoperto le previste "dislocazioni" in cui le energie spingono gli atomi fuori dai loro schemi regolari. "Dove le lenzuola si incontrano, non possono avere una struttura reticolare ideale, quindi hanno questi punti, le dislocazioni. Ogni confine di grano è solo una serie di queste dislocazioni, "Ha detto Yakobson.
È stata solo una coincidenza che le dislocazioni abbiano assunto forme simili a dreidel per un articolo pubblicato durante Hanukkah, Egli ha detto.
"Abbiamo trovato ordine in questa complessità e caos, le esatte strutture possibili ai bordi dei grani e i tipi di dislocazione, " Egli ha detto.
The growing molybdenum/sulfur sheets can meet at any angle, and though the sheets are semiconducting, the boundaries between them generally stop electrical signals in their tracks. But at one particular angle—60 degrees—the periodic dislocations are close enough to pass signals on from one to the next along the length of the boundary. "Fondamentalmente, they're metallic in this direction, "Ha detto Yakobson.
"So in the middle of these domains of semiconducting material, you have this boundary line that carries current in one direction, come un filo. And it's only a few angstroms wide, " Egli ha detto.
"Metal disulfides may be promising for future electronic devices based on materials with reduced dimensions, " Zou said. "It is important to understand the effects of topological defects on the electronic properties as we push toward post-silicon devices."
