I ricercatori della Columbia Engineering hanno dimostrato sperimentalmente per la prima volta che è possibile contattare elettricamente un materiale bidimensionale (2D) atomicamente sottile solo lungo il suo bordo unidimensionale (1D), invece di contattarlo dall'alto, che è stato l'approccio convenzionale. Con questa nuova architettura di contatto, hanno sviluppato una nuova tecnica di assemblaggio per materiali stratificati che previene la contaminazione alle interfacce, e, utilizzando il grafene come materiale 2D del modello, mostrano che questi due metodi in combinazione danno come risultato il grafene più pulito mai realizzato. Lo studio è pubblicato su Scienza il 1 novembre, 2013.

"Questo è un nuovo ed entusiasmante paradigma nell'ingegneria dei materiali in cui invece dell'approccio convenzionale della crescita strato per strato, i materiali ibridi possono ora essere fabbricati mediante assemblaggio meccanico di cristalli 2D costituenti, ", afferma il professore di ingegneria elettrica Ken Shepard, coautore del paper. "Nessun altro gruppo è stato in grado di ottenere con successo una pura geometria a contatto con i bordi su materiali 2D come il grafene".

Aggiunge che gli sforzi precedenti hanno esaminato come migliorare i "contatti superiori" mediante ulteriore ingegneria come l'aggiunta di droganti:"La nostra nuova geometria del contatto di bordo fornisce un contatto più efficiente rispetto alla geometria convenzionale senza la necessità di ulteriori elaborazioni complesse. Ora ci sono molti maggiori possibilità nel perseguimento sia delle applicazioni dei dispositivi che delle esplorazioni fisiche fondamentali."

Primo isolato nel 2004, il grafene è il materiale 2D più studiato ed è stato oggetto di migliaia di articoli che ne studiano il comportamento elettrico e le applicazioni dei dispositivi. "Ma in quasi tutto questo lavoro, le prestazioni del grafene sono degradate dall'esposizione alla contaminazione, " osserva il professore di ingegneria meccanica James Hone, che è anche coautore dello studio. "Si scopre che i problemi di contaminazione e di contatto elettrico sono collegati. Qualsiasi materiale elettronico ad alte prestazioni deve essere incapsulato in un isolante per proteggerlo dall'ambiente. Il grafene non ha la capacità di creare legami fuori dal piano, che rende difficile il contatto elettrico attraverso la sua superficie, ma impedisce anche l'adesione agli isolanti 3D convenzionali come gli ossidi. Anziché, i migliori risultati si ottengono utilizzando un isolante 2D, che non ha bisogno di fare legami alla sua superficie. Però, non c'è stato modo di accedere elettricamente a un foglio di grafene completamente incapsulato fino ad ora."

In questo lavoro, dice Cory Dean, che ha guidato la ricerca come postdoc alla Columbia ed è ora assistente professore al City College di New York, il team ha risolto contemporaneamente sia i problemi di contatto che di contaminazione. "Uno dei maggiori vantaggi dei materiali 2D come il grafene è che essendo spesso solo un atomo, abbiamo accesso diretto alle sue proprietà elettroniche. Allo stesso tempo, questa può essere una delle sue peggiori caratteristiche poiché rende il materiale estremamente sensibile al suo ambiente. Qualsiasi contaminazione esterna degrada rapidamente le prestazioni. La necessità di proteggere il grafene da disturbi indesiderati, pur consentendo l'accesso elettrico, è stato l'ostacolo più significativo che ha impedito lo sviluppo di tecnologie basate sul grafene. Facendo contatto solo con il bordo 1D del grafene, abbiamo sviluppato un modo fondamentalmente nuovo per collegare il nostro mondo 3D a questo affascinante mondo 2D, senza alterare le sue proprietà intrinseche. Questo elimina virtualmente la contaminazione esterna e permette finalmente al grafene di mostrare il suo vero potenziale nei dispositivi elettronici"

I ricercatori hanno completamente incapsulato lo strato di grafene 2D in un sandwich di sottili cristalli isolanti di nitruro di boro, impiegando una nuova tecnica in cui gli strati di cristallo sono impilati uno per uno. "Il nostro approccio per l'assemblaggio di queste eterostrutture elimina completamente qualsiasi contaminazione tra gli strati, "Dean spiega, "che abbiamo confermato sezionando i dispositivi e visualizzandoli in un microscopio elettronico a trasmissione con risoluzione atomica".

Una volta creato lo stack, l'hanno inciso per esporre il bordo dello strato di grafene, e poi il metallo evaporato sul bordo per creare il contatto elettrico. Facendo contatto lungo il bordo, il team ha realizzato un'interfaccia 1D tra lo strato attivo 2D e l'elettrodo metallico 3D. E, anche se gli elettroni sono entrati solo sul bordo atomico 1D del foglio di grafene, la resistenza di contatto era notevolmente bassa, raggiungendo 100 Ohm per micron di larghezza di contatto, un valore inferiore a quello che può essere ottenuto per i contatti sulla superficie superiore del grafene.

Con le due nuove tecniche, l'architettura di contatto attraverso il bordo 1D e il metodo di assemblaggio impilato che previene la contaminazione alle interfacce, il team è stato in grado di produrre quello che dicono sia il "grafene più pulito mai realizzato". A temperatura ambiente, questi dispositivi mostrano prestazioni precedentemente irraggiungibili, compresa la mobilità degli elettroni almeno due volte più grande di qualsiasi sistema di elettroni 2D convenzionale, e resistività del foglio inferiore a 40 Ohm quando vengono aggiunte cariche sufficienti al foglio mediante "gating" elettrostatico. Sorprendentemente, questa resistenza del foglio 2D corrisponde a una resistività 3D "di massa" inferiore a quella di qualsiasi metallo a temperatura ambiente. A bassa temperatura, gli elettroni viaggiano attraverso i campioni del team senza dispersione, un fenomeno noto come trasporto balistico. Trasporto balistico, era stato precedentemente osservato in campioni di dimensioni vicine a un micrometro, ma questo lavoro dimostra lo stesso comportamento in campioni grandi fino a 20 micrometri. "Finora questo è limitato esclusivamente dalle dimensioni del dispositivo, "dice Dean, "indicando che il vero comportamento 'intrinseco' è ancora migliore."

Il team sta ora lavorando sull'applicazione di queste tecniche per sviluppare nuovi materiali ibridi mediante assemblaggio meccanico e contatto con i bordi di materiali ibridi attingendo dalla suite completa di materiali stratificati 2D disponibili, compreso il grafene, nitruro di boro, diclogenuri di metalli di transizione (TMDC), ossidi di metalli di transizione (TMO), e isolanti topologici (TI). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).