(Sinistra) In 2-D, MoS2 a 13 strati l'"HOT SPOT" (il centro della distribuzione della corrente) si trova negli strati superiori in corrispondenza di un'ampia polarizzazione del gate. (A destra) In 2-D, grafene a 13 strati, l'"HOT SPOT" si trova negli strati inferiori in corrispondenza di un ampio bias di gate. La differenza nasce perché la posizione di un "HOT SPOT" è dovuta alle proprietà fisiche del materiale. Credito:Das e Appenzeller. ©2013 American Chemical Society
(Phys.org) —Sebbene gli scienziati continuino a scoprire le straordinarie proprietà elettroniche di nanomateriali come il grafene e i dicalcogenuri dei metalli di transizione, il modo in cui la corrente elettrica scorre a questa scala non è ben compreso. In un nuovo studio, gli scienziati per la prima volta hanno studiato esattamente come una corrente scorre attraverso materiali 2-D multistrato, e ha scoperto che il flusso di corrente in questi materiali è molto diverso dal flusso di corrente nei materiali 3D e non può essere spiegato con i modelli convenzionali. Questa comprensione potrebbe guidare i ricercatori nella progettazione di futuri dispositivi di nanoelettronica.
I ricercatori, Saptarshi Das e Joerg Appenzeller alla Purdue University di West Lafayette, Indiana, hanno pubblicato il loro articolo sul flusso di corrente nei materiali stratificati 2-D in un recente numero di Nano lettere .
"Attraverso il nostro approccio sperimentale, abbiamo ideato un nuovo modo per comprendere il flusso di corrente attraverso questi materiali a bassa dimensionalità, e abbiamo anche scoperto che i modelli convenzionali per il trasporto di vettori che si applicano ai materiali sfusi devono essere rivisti per i sistemi 2-D a strati, "Das ha detto Phys.org .
Nel loro studio, gli scienziati hanno valutato sperimentalmente il flusso e la distribuzione di corrente in un transistor realizzato in 2-D MoS 2 , che aveva uno spessore di circa 8 nm e consisteva di circa 13 strati. Come hanno spiegato gli scienziati, la corrente nei singoli strati non può essere misurata direttamente. Così hanno escogitato un metodo alternativo per mappare la distribuzione corrente nei molteplici livelli, che comporta la scala della lunghezza del canale utilizzando un microscopio elettronico a scansione.
Gli scienziati hanno scoperto che la corrente in 2-D MoS 2 è distribuito tra i 13 strati in modo che gli strati superiori abbiano la massima mobilità e le resistenze più basse, mentre gli strati inferiori hanno la mobilità più bassa e la resistenza più alta. Calcolando la media ponderata della corrente nei singoli strati, i ricercatori hanno determinato la posizione dell'"HOT-SPOT" come centro della distribuzione attuale, che in questo caso era agli strati superiori.
Però, quando gli scienziati hanno cambiato la tensione di polarizzazione applicata al gate, anche la posizione dell'"HOT-SPOT" è cambiata. Ad alti valori di polarizzazione del gate, la resistenza di ogni strato è bassa e l'"HOT-SPOT" si trova negli strati superiori. Ma quando il gate bias è diminuito, la resistenza aumenta e l'"HOT-SPOT" migra verso gli strati inferiori. Questa insolita migrazione dell'"HOT-SPOT" in funzione della polarizzazione del gate applicata dà origine anche a una resistenza aggiuntiva che i ricercatori chiamano "resistenza intercalare, " che non si trova nei materiali 3D e non può essere spiegato all'interno del modello convenzionale del flusso di corrente basato sui contatti a barriera Schottky.
Gli scienziati hanno anche valutato sperimentalmente il flusso e la distribuzione della corrente nel grafene 2-D composto da circa 13 strati, e osservati effetti opposti rispetto al MoS 2 . Vale a dire, i ricercatori hanno scoperto che la corrente scorre prevalentemente verso gli strati inferiori nel grafene, dove si trova l'"HOT-SPOT", mentre gli strati superiori hanno una resistenza maggiore. I ricercatori spiegano che questa differenza si verifica perché grafene e MoS 2 hanno proprietà fisiche diverse, e la posizione dell'"HOT-SPOT" è governata dalle proprietà fisiche di un materiale. Conoscendo le proprietà fisiche di un materiale 2-D multistrato, la posizione dell'"HOT-SPOT" può essere prevista con un margine di errore del 5%.
Comprendere il flusso di corrente e la distribuzione nei materiali 2-D multistrato, oltre a sapere che queste caratteristiche differiscono per i diversi materiali, si rivelerà probabilmente molto utile durante la progettazione di futuri componenti elettronici.
"Comprendere il trasporto di vettori in materiali a bassa dimensionalità non è solo interessante da un punto di vista scientifico fondamentale, ma altrettanto importante nel contesto della progettazione di dispositivi ad alte prestazioni, " Das ha detto. "Il nostro studio sperimentale combinato con la modellazione analitica fornisce nuove intuizioni sul flusso di corrente in materiali a strati bidimensionali come MoS 2 e grafene, che sarà utile per molti ricercatori che lavorano in questo campo."
Das ha aggiunto che il suo lavoro futuro si concentrerà sull'implementazione di nuovi concetti di dispositivi basati su nuovi materiali 2-D che utilizzano il loro esclusivo sistema elettrico, proprietà meccaniche e ottiche.
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