Gli scienziati hanno sviluppato quello che credono sia il semiconduttore più sottile possibile, una nuova classe di materiali su scala nanometrica realizzati in fogli dello spessore di soli tre atomi.

I ricercatori dell'Università di Washington hanno dimostrato che due di questi materiali semiconduttori a strato singolo possono essere collegati in modo atomico senza soluzione di continuità noto come eterogiunzione. Questo risultato potrebbe essere la base per l'elaborazione flessibile e trasparente di prossima generazione, migliori diodi emettitori di luce, o LED, e tecnologie solari.

"Le eterogiunzioni sono elementi fondamentali dei dispositivi elettronici e fotonici, ", ha affermato l'autore senior Xiaodong Xu, un assistente professore UW di scienza e ingegneria dei materiali e di fisica. "La nostra dimostrazione sperimentale di tali giunzioni tra materiali bidimensionali dovrebbe consentire nuovi tipi di transistor, LED, nanolaser, e celle solari da sviluppare per circuiti elettronici e ottici altamente integrati all'interno di un singolo piano atomico".

La ricerca è stata pubblicata online questa settimana in Materiali della natura .

I ricercatori hanno scoperto che due materiali semiconduttori piatti possono essere collegati da bordo a bordo con perfezione cristallina. Hanno lavorato con due monostrato, o monostrato, materiali – diseleniuro di molibdeno e diseleniuro di tungsteno – che hanno strutture molto simili, che è stata la chiave per creare il semiconduttore bidimensionale composito.

I collaboratori del centro di microscopia elettronica dell'Università di Warwick in Inghilterra hanno scoperto che tutti gli atomi di entrambi i materiali formavano un'unica struttura reticolare a nido d'ape, senza distorsioni o discontinuità. Ciò fornisce il legame più forte possibile tra due materiali a strato singolo, necessario per dispositivi flessibili. All'interno della stessa famiglia di materiali è possibile che i ricercatori possano legare insieme altre coppie allo stesso modo.

I ricercatori hanno creato le giunzioni in una piccola fornace all'UW. Primo, hanno inserito una miscela di polvere dei due materiali in una camera riscaldata a 900 gradi Celsius (1, 652F). Il gas idrogeno è stato quindi fatto passare attraverso la camera e gli atomi evaporati da uno dei materiali sono stati trasportati verso una regione più fredda del tubo e depositati come cristalli monostrato a forma di triangolo.

Dopo un po, atomi evaporati dal secondo materiale poi attaccati ai bordi del triangolo per creare un'eterogiunzione semiconduttiva senza soluzione di continuità.

"Questa è una tecnica scalabile, " disse Sanfeng Wu, uno studente di dottorato in fisica UW e uno degli autori principali. "Poiché i materiali hanno proprietà diverse, evaporano e si separano in momenti diversi automaticamente. Il secondo materiale si forma attorno al primo triangolo che si è appena formato in precedenza. Ecco perché questi reticoli sono così meravigliosamente collegati".

Con un forno più grande, sarebbe possibile produrre in serie fogli di queste eterostrutture di semiconduttori, hanno detto i ricercatori. Su piccola scala, ci vogliono circa cinque minuti per far crescere i cristalli, con un massimo di due ore di riscaldamento e raffreddamento.

"Siamo molto entusiasti delle nuove opportunità scientifiche e ingegneristiche fornite da queste nuove strutture, ", ha affermato l'autore senior David Cobden, un professore di fisica UW. "Nel futuro, combinazioni di materiali bidimensionali possono essere integrate insieme in questo modo per formare tutti i tipi di interessanti strutture elettroniche come pozzi quantici nel piano e fili quantistici, superreticoli, transistor perfettamente funzionanti, e persino circuiti elettronici completi."

I ricercatori hanno già dimostrato che la giunzione interagisce con la luce molto più fortemente rispetto al resto del monostrato, che è incoraggiante per le applicazioni optoelettriche e fotoniche come le celle solari.