Nelle stazioni della metropolitana di Londra, l'avvertimento "Mind the Gap" aiuta i pendolari a non entrare nello spazio vuoto mentre scendono dal treno. Quando si tratta di progettare strutture atomiche a strato singolo, badare al divario aiuterà i ricercatori a creare materiali elettronici artificiali uno strato atomico alla volta.

Il divario è un minuscolo vuoto che può essere visto solo con un microscopio elettronico a trasmissione ad alta potenza. Il divario, i ricercatori del Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) di Penn State credono, è una barriera energetica che impedisce agli elettroni di passare facilmente da uno strato di materiale all'altro.

"È uno strato isolante naturale che Madre Natura ha incorporato in questi materiali creati artificialmente, " disse Joshua Robinson, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali e direttore associato del Centro 2DLM. "Stiamo ancora cercando di capire come gli elettroni si muovono verticalmente attraverso questi materiali stratificati, e abbiamo pensato che avrebbe dovuto richiedere molta meno energia. Grazie a una combinazione di teoria ed esperimento, ora sappiamo che dobbiamo tenere conto di questa lacuna quando progettiamo nuovi materiali".

Per la prima volta, i ricercatori della Penn State hanno coltivato un singolo strato atomico di diseleniuro di tungsteno su un substrato di grafene dello spessore di un atomo con interfacce incontaminate tra i due strati. Quando hanno provato a mettere una tensione dallo strato superiore di diseleniuro di tungsteno (WSe2) allo strato di grafene, incontrarono una sorprendente quantità di resistenza. Circa la metà della resistenza è stata causata dal divario, che ha introdotto una grande barriera, circa 1 elettronvolt (1eV), agli elettroni che cercano di muoversi tra gli strati. Questa barriera energetica potrebbe rivelarsi utile nella progettazione di dispositivi elettronici di prossima generazione, come i transistor ad effetto di campo a tunnel verticale, disse Robinson.

L'interesse per questi materiali di van der Waals è sorto con la scoperta di metodi per produrre grafite a strato singolo utilizzando lo scotch per tagliare meccanicamente uno strato di carbonio dello spessore di un atomo chiamato grafene dalla grafite sfusa. La forza di van der Waals che lega insieme gli strati di grafite è sufficientemente debole da consentire la rimozione del singolo strato atomico. I ricercatori della Penn State usano un diverso, metodo più scalabile, chiamata deposizione chimica da vapore, depositare un singolo strato di WSe2 cristallino sopra alcuni strati di grafene epitassiale cresciuto dal carburo di silicio. Sebbene la ricerca sul grafene sia esplosa nell'ultimo decennio, ci sono molti solidi di van der Waal che possono essere combinati per creare materiali artificiali completamente nuovi con proprietà inimmaginabili.

In un articolo pubblicato online questo mese in Nano lettere , il team di Penn State e i colleghi di UT Dallas, il Laboratorio di Ricerca Navale, Laboratorio Nazionale Sandia, e laboratori a Taiwan e in Arabia Saudita, scoprì che lo strato di diseleniuro di tungsteno cresceva in isole triangolari perfettamente allineate di dimensioni 1-3 micron che lentamente si fondevano in un singolo cristallo fino a 1 centimetro quadrato. Robinson crede che sarà possibile far crescere questi cristalli fino a dimensioni di wafer industrialmente utili, anche se richiederà una fornace più grande di quella che ha attualmente nel suo laboratorio.

"Una delle cose davvero interessanti di questo divario, "Robinson ha detto, "è che ci permette di far crescere strati allineati nonostante il fatto che gli atomi nel grafene non siano allineati con gli atomi nel diseleniuro di tungsteno. In effetti c'è un disallineamento del reticolo del 23%, che è enorme. Madre Natura ha davvero allentato le regole quando si tratta di queste grandi differenze nella spaziatura degli atomi".

L'autore principale su Nano lettere la carta è Yu-Chuan Lin, uno studente laureato nel laboratorio di Robinson. Altri coautori della Penn State erano Ram Krishna Ghosh, un borsista post-dottorato in ingegneria elettrica (EE) che ha utilizzato la modellazione al computer per aiutare il team a comprendere la barriera energetica, Jie Li, borsista post-dottorato in EE, Theresa S. Mayer e Suman Datta, professori in EE e Robinson, che insieme a Lain-Jong Li dell'Istituto di scienze atomiche e molecolari, Taiwan, era autore corrispondente. In un raro pezzo di serendipità, Jeremy Robinson, un ricercatore nel Laboratorio di ricerca navale e fratello di Joshua Robinson, è stato anche coautore del documento. Robert Wallace e i suoi studenti dell'Università del Texas a Dallas hanno fornito immagini TEM.