Gli scienziati della Rice University e dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hanno avanzato l'obiettivo dell'elettronica bidimensionale con un metodo per controllare la crescita di strati atomici uniformi di bisolfuro di molibdeno (MDS).

MDS, un semiconduttore, fa parte di una trilogia di materiali necessari per realizzare componenti elettronici 2-D funzionanti. Potrebbero un giorno essere la base per la fabbricazione di dispositivi così piccoli da essere invisibili a occhio nudo.

L'opera appare online questa settimana in Materiali della natura .

I laboratori Rice dell'investigatore capo Jun Lou, Pulickel Ajayan e Boris Yakobson, tutti i docenti del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali dell'Ateneo, ha collaborato con il Wigner Fellow Wu Zhou e lo scienziato dello staff Juan-Carlos Idrobo presso l'ORNL in un'iniziativa insolita che incorporava lavoro sperimentale e teorico.

Gli obiettivi erano vedere se grandi, alta qualità, fogli MDS atomicamente sottili potrebbero essere coltivati ​​in un forno di deposizione chimica in fase di vapore (CVD) e analizzarne le caratteristiche. La speranza è che MDS possa essere unito al grafene, che non ha banda proibita, e nitruro di boro esagonale (hBN), un isolante, per formare transistor ad effetto di campo, circuiti logici integrati, fotorivelatori e optoelettronica flessibile.

"Per circuiti veramente atomici, questo è importante, " disse Lou. "Se riusciamo a far funzionare questo materiale, quindi avremo una serie di materiali con cui giocare per completare, dispositivi complicati."

L'anno scorso, Lou e Ajayan hanno rivelato il loro successo nel creare intricati modelli di intreccio di grafene e hBN, tra questi l'immagine della mascotte del gufo di Rice. Ma mancava ancora un pezzo perché i materiali potessero essere partner a pieno titolo nelle applicazioni elettroniche avanzate. Per allora, i ricercatori erano già a buon punto nel loro studio sull'MDS come soluzione semiconduttiva.

"I materiali bidimensionali sono decollati, " Ha detto Ajayan. "Lo studio del grafene ha stimolato la ricerca su molti materiali 2-D; il bisolfuro di molibdeno è solo uno di questi. Essenzialmente, stiamo cercando di coprire l'intera gamma di band gap tra grafene, che è un semimetallo, e l'isolante di nitruro di boro."

MDS è distinto dal grafene e dall'hBN perché non è esattamente piatto. Il grafene e l'hBN sono piatti, con matrici di esagoni formati dai loro atomi costituenti. Ma mentre MDS sembra esagonale se visto dall'alto, in realtà è una pila, con uno strato di atomi di molibdeno tra due strati di atomi di zolfo.

Co-autore Zheng Liu, un ricercatore congiunto nei laboratori di Lou e Ajayan, ha notato che il gruppo Yakobson ha predetto che MDS e atomi di carbonio si sarebbero legati. "Ci stiamo lavorando, " ha detto. "Vorremmo unire grafene e MDS insieme (con hBN) in quello che sarebbe un romanzo, componente semiconduttore 2-D."

"La domanda ora è come mettere insieme tutti i materiali 2-D, " ha detto la co-autrice Sina Najmaei, uno studente laureato di riso. "Sono specie molto diverse e vengono coltivate in ambienti molto diversi".

Fino a poco tempo fa, far crescere MDS in una forma utilizzabile è stato difficile. È stato provato il metodo "Scotch tape" per estrarre gli strati da un campione di massa, ma i materiali risultanti erano inconsistenti, ha detto Lou. I primi esperimenti CVD hanno prodotto MDS con grani troppo piccoli per essere utili per le loro proprietà elettriche.

Ma nel processo, i ricercatori hanno notato che "isole" di MDS tendevano a formarsi nella fornace dove sul substrato apparivano difetti o addirittura pezzi di polvere. "Il materiale è difficile da nucleare, a differenza dell'hBN o del grafene, " Ha detto Najmaei. "Abbiamo iniziato a imparare che potevamo controllare quella nucleazione aggiungendo bordi artificiali al substrato, e ora sta crescendo molto meglio tra queste strutture".

"Ora possiamo coltivare granulometrie fino a 100 micron, " Ha detto Lou. È ancora solo circa la larghezza di un capello umano, ma nel regno della nanoscala, è abbastanza grande da poterci lavorare, Egli ha detto.

Una volta che i team di Ajayan e Lou sono stati in grado di far crescere array MDS così grandi, il team dell'ORNL ha ripreso le strutture atomiche utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione corretta per l'aberrazione. L'array atomico può essere chiaramente visto nelle immagini e, ma ancora più importante, così possono esserlo i difetti che alterano le proprietà elettroniche del materiale.

"Per migliorare le proprietà dei materiali 2-D, è importante prima capire come sono messi insieme su una scala fondamentale, " Ha detto Idrobo. "La nostra struttura di microscopia all'ORNL ci consente di vedere i materiali in un modo mai visto prima, fino al livello dei singoli atomi".

Yakobson, un fisico teorico, e il suo team è specializzato nell'analisi dell'interazione dell'energia su scala atomica. Con le immagini di ORNL in mano, non solo erano in grado di calcolare le energie di un insieme di difetti molto più complesso di quello che si trova nel grafene o nel BN, ma potevano anche abbinare i loro numeri alle immagini.

Tra le scoperte interessanti del team Yakobson c'era l'esistenza, segnalato lo scorso anno, di "fili" subnano conduttivi lungo i bordi di grano in MDS. Secondo i loro calcoli, l'effetto si è verificato solo quando i grani si sono incontrati con precisi angoli di 60 gradi. Le immagini di microscopia elettronica ORNL consentono di visualizzare direttamente questi bordi di grano.

I ricercatori di Rice vedono molti modi possibili per combinare i materiali, non solo in strati bidimensionali ma anche come pile tridimensionali. "I cristalli naturali sono fatti di strutture legate dalla forza di van der Waals, ma sono tutti della stessa composizione, "Ha detto Lou. "Ora abbiamo l'opportunità di costruire cristalli 3-D con composizioni diverse".

"Sono materiali molto diversi, con differenti proprietà elettroniche e band gap. Mettere uno sopra l'altro ci darebbe un nuovo tipo di materiale che chiamiamo solidi di van der Waals, " ha detto Ajayan. "Potremmo metterli insieme in qualsiasi ordine di impilamento di cui abbiamo bisogno, che sarebbe un nuovo approccio interessante nella scienza dei materiali.