Grafene, un reticolo di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo, è spesso pubblicizzato come sostituto del silicio nei dispositivi elettronici grazie alla sua conduttività estremamente elevata e alla sua imbattibile sottigliezza. Ma il grafene non è l'unico materiale bidimensionale che potrebbe svolgere un tale ruolo.

I ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno fatto progressi nella produzione di uno di questi materiali, bisolfuro di molibdeno. Facendo crescere scaglie di materiale attorno ai "semi" di ossido di molibdeno, hanno reso più facile il controllo delle dimensioni, spessore e posizione del materiale.

A differenza del grafene, il bisolfuro di molibdeno ha una banda proibita energetica, il che significa che la sua conduttività può essere attivata e disattivata. Tale caratteristica è fondamentale per i dispositivi a semiconduttore utilizzati nell'informatica. Un'altra differenza è che il bisolfuro di molibdeno emette luce, il che significa che potrebbe essere utilizzato in applicazioni come LED, sensori auto-segnalanti e optoelettronica.

Lo studio è stato condotto da A.T. Charlie Johnson, professore nel Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts &Sciences, e include membri del suo laboratorio, Gang Hee Han, Nicholas Kybert, Carl Naylor e Jinglei Ping. Ha contribuito allo studio anche Ritesh Agarwal, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn's School of Engineering and Applied Science; membri del suo laboratorio, Bumsu Lee e Joohee Park; e Jisoo Kang, uno studente di master nel programma di nanotecnologia di Penn. Hanno collaborato con ricercatori della Sungkyunkwan University della Corea del Sud, Si Young Lee e Young Hee Lee.

Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Tutto ciò che facciamo con l'elettronica normale vorremmo poterlo fare con materiali bidimensionali, " Johnson ha detto. "Il grafene ha una serie di proprietà che lo rendono molto attraente per l'elettronica, ma manca di questa proprietà critica, potersi accendere e spegnere. Il disolfuro di molibdeno te lo dà."

L'altissima conduttività del grafene significa che può spostare gli elettroni più rapidamente di qualsiasi materiale noto, ma questa non è l'unica qualità che conta per l'elettronica. Per i transistor che costituiscono la base della moderna tecnologia informatica, anche essere in grado di fermare il flusso di elettroni è fondamentale.

"Il bisolfuro di molibdeno non è conduttivo come il grafene, "Naylor ha detto, "ma ha un rapporto on/off molto alto. Abbiamo bisogno di 1 e 0 per fare i calcoli; il grafene può darci solo 1 e 0,5."

Altri gruppi di ricerca sono stati in grado di produrre piccoli fiocchi di bisolfuro di molibdeno nello stesso modo in cui è stato prodotto inizialmente il grafene, esfoliandolo, o staccando strati atomicamente sottili dal materiale sfuso. Più recentemente, altri ricercatori hanno adottato un'altra tecnica dalla produzione di grafene, deposizione chimica da vapore, dove il molibdeno e lo zolfo vengono riscaldati in gas e lasciati depositare e cristallizzare su un substrato.

Il problema con questi metodi è che i fiocchi risultanti si formano in modo sparso.

"Tra la caccia ai fiocchi, " ha detto Kybert, "e assicurandosi che siano della giusta dimensione e spessore, ci vorrebbero giorni per fare un'unica misurazione delle loro proprietà"

Il progresso del team Penn è stato nello sviluppo di un modo per controllare dove si formano i fiocchi nel metodo di deposizione chimica da vapore, "seminando" il substrato con un precursore.

"Cominciamo mettendo una piccola quantità di ossido di molibdeno nelle posizioni che vogliamo, "Naylor ha detto, "poi fluiamo in gas di zolfo. Nelle giuste condizioni, quei semi reagiscono con zolfo e scaglie di bisolfuro di molibdeno che stanno per crescere."

"C'è finezza nell'ottimizzare le condizioni di crescita, "Johnson ha detto, "ma stiamo esercitando un maggiore controllo, spostando il materiale nella direzione di poter realizzare sistemi complicati. Perché lo coltiviamo dove lo vogliamo, possiamo realizzare dispositivi più facilmente. Abbiamo tutte le altre parti dei transistor in uno strato separato che fissiamo sopra i fiocchi, facendo dozzine e potenzialmente anche centinaia, di dispositivi contemporaneamente. Poi abbiamo potuto osservare che abbiamo realizzato transistor che si accendono e si spengono come avrebbero dovuto e dispositivi che emettono luce come dovrebbero".

Essere in grado di abbinare la posizione dei fiocchi di disolfuro di molibdeno con l'elettronica corrispondente ha permesso ai ricercatori di saltare un passaggio che devono compiere quando realizzano dispositivi a base di grafene. Là, il grafene viene coltivato in grandi fogli e poi tagliato a misura, un processo che si aggiunge al rischio di contaminazione dannosa.

Il lavoro futuro su questi dispositivi al bisolfuro di molibdeno integrerà la ricerca del team di ricerca sui biosensori a base di grafene; invece di inviare il rilevamento di alcune molecole a un computer, I sensori a base di bisolfuro di molibdeno potrebbero segnalare direttamente un evento vincolante attraverso un cambiamento nella luce che emettono.

Questa ricerca rappresenta anche i primi passi che possono essere applicati verso la fabbricazione di una nuova famiglia di materiali bidimensionali.

"Possiamo sostituire il molibdeno con il tungsteno e lo zolfo con il selenio, "Naylor ha detto, "e scendi semplicemente la tavola periodica da lì. Possiamo immaginare di coltivare tutti questi materiali diversi nei luoghi che scegliamo e di sfruttare tutte le loro diverse proprietà".