I materiali bidimensionali hanno tutta una serie di proprietà esotiche perché hanno uno spessore di un solo atomo. I ricercatori di A*STAR hanno ora sviluppato un metodo per creare ampie aree di materiale sottile come un atomo da utilizzare nei dispositivi elettronici.

Grafene, un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, è l'esempio più famoso di un materiale bidimensionale. È più forte dell'acciaio, ha eccellenti proprietà elettriche, e potrebbe essere utilizzato per realizzare dispositivi bidimensionali molto più piccoli di quelli attualmente realizzati con silicio sfuso o a film sottile. Però, non è un semiconduttore. E così gli scienziati si stanno rivolgendo ad altri materiali che hanno questa proprietà essenziale per la creazione di transistor.

Shijie Wang dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e i suoi collaboratori hanno ora dimostrato una tecnica per creare un singolo strato atomico di bisolfuro di molibdeno, un semiconduttore bidimensionale.

Il bisolfuro di molibdeno appartiene a una famiglia di materiali chiamati dicalcogenuri di metalli di transizione. Hanno due atomi di calcogenuro (come zolfo, selenio o tellurio) per ogni atomo di metallo di transizione (molibdeno e tungsteno sono esempi). Questi materiali e la loro vasta gamma di proprietà elettriche forniscono un eccellente sistema di materiali per piattaforme per un'elettronica versatile. Ma creare materiale di alta qualità su aree abbastanza grandi per la produzione su scala industriale è difficile.

"I metodi tradizionali di esfoliazione meccanica per ottenere materiali bidimensionali hanno un'utilità limitata nelle applicazioni commerciali, e tutti i metodi chimici precedenti sono incompatibili per l'integrazione con la fabbricazione del dispositivo, " dice Wang. "La nostra tecnica è un processo in un solo passaggio che può far crescere film monostrato di buona qualità, o pochi strati di film di bisolfuro di molibdeno, su scala wafer su vari substrati utilizzando lo sputtering di magnetron."

Il team ha sparato un raggio di ioni di argon su un bersaglio di molibdeno in una camera a vuoto. Questo ha espulso atomi di molibdeno dalla superficie dove hanno reagito con un vicino vapore di zolfo. Questi atomi vengono poi assemblati su un substrato riscaldato di zaffiro o silicio. Il team ha scoperto che potevano crescere monostrato, doppio strato, campioni a tre strati o più spessi alterando la potenza del fascio di ioni argon o il tempo di deposizione.

Hanno confermato la qualità del loro materiale utilizzando una serie di strumenti di caratterizzazione comuni tra cui la spettroscopia Raman, microscopia a forza atomica, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X e microscopia elettronica a trasmissione. I ricercatori hanno anche dimostrato le eccellenti proprietà elettriche dei loro film di bisolfuro di molibdeno creando un transistor funzionante (vedi immagine).

"Il nostro prossimo passo in questo lavoro si concentrerà sull'applicazione di questa tecnica per sintetizzare altri materiali bidimensionali e integrarli con materiali diversi per varie applicazioni di dispositivi, "dice Wang.