Nel 2013 James Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica presso la Columbia Engineering, e colleghi della Columbia hanno dimostrato di poter migliorare notevolmente le prestazioni del grafene, carbonio bidimensionale (2D) altamente conduttivo, incapsulandolo in nitruro di boro (BN), un materiale isolante con una struttura a strati simile.

Nel lavoro pubblicato questa settimana nella pubblicazione Advance Online su Nanotecnologia della natura sito web di, ricercatori della Columbia Engineering, Harvard, Cornell, Università del Minnesota, Università Yonsei in Corea, Università tecnica danese, e il Japanese National Institute of Materials Science hanno dimostrato che le prestazioni di un altro materiale 2D, il bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ )—può essere similmente migliorato dall'incapsulamento BN.

"Questi risultati forniscono una dimostrazione di come studiare tutti i materiali 2D, "dice Hone, leader di questo nuovo studio e direttore del Materials Research Science and Engineering Center della Columbia, finanziato dall'NSF. "La nostra combinazione di elettrodi BN e grafene è come una 'presa' in cui possiamo posizionare molti altri materiali e studiarli in un ambiente estremamente pulito per comprenderne le vere proprietà e il potenziale. Ciò è molto promettente per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui l'alta -elettronica ad alte prestazioni, rilevamento ed emissione di luce, e chimica/biorilevamento."

I materiali bidimensionali (2D) creati "pelando" strati atomicamente sottili da cristalli sfusi sono estremamente elastici, otticamente trasparente, e possono essere combinati tra loro e con l'elettronica convenzionale in modi completamente nuovi. Ma questi materiali, in cui tutti gli atomi sono in superficie, sono per loro natura estremamente sensibili al loro ambiente, e le loro prestazioni spesso sono molto al di sotto dei limiti teorici a causa della contaminazione e delle cariche intrappolate negli strati isolanti circostanti. Il grafene incapsulato in BN che il gruppo di Hone ha prodotto l'anno scorso ha una mobilità elettronica 50 volte superiore, una misura importante delle prestazioni elettroniche, e un disturbo inferiore che consente lo studio di nuovi fenomeni a bassa temperatura e campi magnetici elevati.

"Volevamo vedere cosa potevamo fare con MoS ₂ —è il semiconduttore 2D più studiato, e, a differenza del grafene, può formare un transistor che può essere spento completamente, una proprietà cruciale per i circuiti digitali, " nota Gwan-Hyoung Lee, co-autore del documento e assistente professore di scienza dei materiali presso Yonsei. Nel passato, I dispositivi MoS2 realizzati su comuni substrati isolanti come il biossido di silicio hanno mostrato una mobilità inferiore alle previsioni teoriche, varia da campione a campione, e rimane basso quando si raffredda a basse temperature, tutti indizi di un materiale disordinato. I ricercatori non hanno saputo se il disturbo fosse dovuto al substrato, come nel caso del grafene, o per imperfezioni del materiale stesso.

Nel nuovo lavoro, Il team di Hone ha creato eterostrutture, o pile a strati, di MoS ₂ incapsulato in BN, con piccoli fiocchi di grafene che si sovrappongono al bordo del MoS ₂ fungere da contatti elettrici. Hanno scoperto che la mobilità a temperatura ambiente era migliorata di un fattore di circa 2, avvicinarsi al limite intrinseco. Dopo il raffreddamento a bassa temperatura, la mobilità è aumentata notevolmente, raggiungendo valori 5-50× di quelli misurati in precedenza (a seconda del numero di strati atomici). Come ulteriore segno di basso disturbo, questi campioni ad alta mobilità hanno anche mostrato forti oscillazioni nella resistenza con il campo magnetico, che non era mai stato visto in precedenza in nessun semiconduttore 2D.

"Questa nuova struttura del dispositivo ci consente di studiare per la prima volta il comportamento del trasporto quantistico in questo materiale a bassa temperatura, " ha aggiunto il dottorando in ingegneria della Columbia Xu Cui, il primo autore del saggio.

Analizzando la resistenza alle basse temperature e le oscillazioni quantistiche, il team è stato in grado di concludere che la principale fonte di disturbo rimane la contaminazione alle interfacce, indicando che sono possibili ulteriori miglioramenti.

"Questo lavoro ci motiva a migliorare ulteriormente le nostre tecniche di assemblaggio dei dispositivi, poiché non abbiamo ancora raggiunto il limite intrinseco per questo materiale, " Hone dice. "Con ulteriori progressi, speriamo di stabilire i semiconduttori 2D come una nuova famiglia di materiali elettronici che rivaleggiano con le prestazioni delle eterostrutture di semiconduttori convenzionali, ma vengono creati utilizzando lo scotch su un banco di laboratorio invece di costosi sistemi ad alto vuoto".