(Phys.org) —In una nuova ricerca pionieristica presso la Columbia University, gli scienziati hanno coltivato cristalli di alta qualità di bisolfuro di molibdeno (MoS2), il semiconduttore più sottile al mondo, e ha studiato come questi cristalli si uniscono su scala atomica per formare fogli continui. Attraverso bellissime immagini di stelle e triangoli straordinariamente simmetrici di centinaia di micron di diametro, hanno scoperto informazioni chiave sulle proprietà ottiche ed elettroniche di questo nuovo materiale, che può essere conduttore o isolante per formare l'"interruttore on-off" di base per tutta l'elettronica digitale. Lo studio è pubblicato il 5 maggio 2013, problema di Materiali della natura .
"La nostra ricerca è la prima ad esaminare sistematicamente quali tipi di difetti risultano da queste grandi crescite, e per indagare come tali difetti ne modificano le proprietà, "dice James Hone, professore di ingegneria meccanica alla Columbia Engineering, che ha condotto lo studio. "I nostri risultati aiuteranno a sviluppare modi per utilizzare questo nuovo materiale nell'elettronica atomicamente sottile che diventeranno componenti integrali di un'intera nuova generazione di prodotti rivoluzionari come le celle solari flessibili che si adattano al corpo di un'auto".
Questa collaborazione multidisciplinare dell'Energy Frontier Research Center della Columbia University con il Kavli Institute for Nanoscale Science della Cornell University si è concentrata sul disolfuro di molibdeno a causa del suo potenziale per creare qualsiasi cosa da altamente efficiente, celle solari flessibili a display touch conformabili. Il lavoro precedente della Columbia ha dimostrato che il MoS2 monostrato ha una struttura elettronica distinta dalla forma bulk, e i ricercatori sono entusiasti di esplorare altri dicalcogenuri metallici atomicamente sottili, che dovrebbe avere proprietà altrettanto interessanti. MoS2 è in una classe di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione, che possono essere metalli, semiconduttori, dielettrici, e persino superconduttori.
"Questo materiale è il più nuovo in una famiglia in crescita di cristalli bidimensionali, "dice Arend van der Zande, un ricercatore presso il Columbia Energy Frontier Research Center e uno dei tre autori principali dell'articolo. "Grafene, un singolo foglio di atomi di carbonio, è il conduttore elettrico più sottile che conosciamo. Con l'aggiunta del bisolfuro di molibdeno monostrato e altri dicalcogenuri metallici, abbiamo tutti i mattoni per l'elettronica moderna che devono essere creati in una forma atomicamente sottile. Per esempio, ora possiamo immaginare di inserire due diversi dichalcogenuri di metalli di transizione monostrato tra strati di grafene per creare celle solari con uno spessore di soli otto atomi, 20 mila volte più piccole di un capello umano!"
Fino all'anno scorso, la maggior parte degli esperimenti che studiano MoS2 sono stati condotti mediante un processo chiamato esfoliazione meccanica, che produce solo campioni di pochi micrometri. "Mentre questi minuscoli esemplari vanno bene per gli studi scientifici, " nota Daniel Chenet, un dottorato di ricerca nel laboratorio di Hone e un altro autore principale, "sono troppo piccoli per essere utilizzati in qualsiasi applicazione tecnologica. Capire come coltivare questi materiali su larga scala è fondamentale".
Per studiare il materiale, i ricercatori hanno perfezionato una tecnica esistente per crescere grandi, cristalli simmetrici fino a 100 micron di diametro, ma solo tre atomi di spessore. "Se potessimo espandere uno di questi cristalli allo spessore di un foglio di pellicola trasparente, sarebbe abbastanza grande da coprire un campo da football e non avrebbe atomi disallineati, "dice Pinshane Huang, uno studente di dottorato nel laboratorio di David Muller alla Cornell e terzo autore principale dell'articolo.
Per l'uso in molte applicazioni, questi cristalli devono essere uniti insieme in fogli continui come toppe su una trapunta. Le connessioni tra i cristalli, chiamati bordi di grano, possono essere importanti quanto i cristalli stessi nel determinare le prestazioni del materiale su larga scala. "I confini del grano diventano importanti in qualsiasi tecnologia, "dice Hone. "Dì, Per esempio, vogliamo fare una cella solare. Ora abbiamo bisogno di avere metri di questo materiale, non micrometri, e questo significa che ci saranno migliaia di confini di grano. Dobbiamo capire cosa fanno per poterli controllare".
Il team ha utilizzato la microscopia elettronica a risoluzione atomica per esaminare i bordi dei grani di questo materiale, e vide linee di atomi disallineati. Una volta che sapevano dove trovare i confini del grano, e che aspetto avevano, il team potrebbe studiare l'effetto di un singolo confine di grano sulle proprietà del MoS2. Per fare questo, costruirono minuscoli transistor, il componente più basilare di tutta l'elettronica, fuori dai cristalli e ho visto che il singolo, una linea difettosa di atomi ai bordi dei grani potrebbe cambiare drasticamente le proprietà elettroniche e ottiche chiave del MoS2.
"Abbiamo fatto molti progressi nel controllare la crescita di questo nuovo nanomateriale "meraviglioso" e ora stiamo sviluppando tecniche per integrarlo in molte nuove tecnologie, " Hone aggiunge. "Stiamo appena iniziando a scalfire la superficie di ciò che possiamo realizzare con questi materiali e quali sono le loro proprietà. Ad esempio, possiamo facilmente rimuovere questo materiale dal substrato di crescita e trasferirlo su qualsiasi superficie arbitraria, che ci consente di integrarlo in grandi elettronica flessibile e celle solari."
La sintesi cristallina, misurazioni ottiche, misurazioni elettroniche, e la teoria sono stati tutti eseguiti da gruppi di ricerca presso la Columbia Engineering. La crescita e le misurazioni elettriche sono state effettuate dal laboratorio Hone in ingegneria meccanica; le misurazioni ottiche sono state effettuate nel laboratorio di fisica Tony Heinz. La modellazione strutturale e i calcoli della struttura elettronica sono stati eseguiti dal laboratorio di chimica di David Reichman. La microscopia elettronica è stata eseguita da esperti di imaging atomico nel laboratorio David Muller della School of Applied and Engineering Physics della Cornell University, e il Kavli Institute di Cornell per la scienza su nanoscala.
