semiconduttori, metalli e isolanti devono essere integrati per realizzare i transistor che sono gli elementi costitutivi elettronici del tuo smartphone, computer e altri dispositivi abilitati per microchip. I transistor odierni sono minuscoli, larghi appena 10 nanometri, e formati da cristalli tridimensionali (3D).

Ma una nuova tecnologia dirompente incombe che utilizza cristalli bidimensionali (2D), solo 1 nanometro di spessore, per abilitare l'elettronica ultrasottile. Scienziati di tutto il mondo stanno studiando i cristalli 2D realizzati con materiali comuni a strati per limitare il trasporto di elettroni all'interno di sole due dimensioni. I ricercatori avevano precedentemente trovato modi per modellare litograficamente singoli strati di atomi di carbonio chiamati grafene in "fili" simili a nastri completi di isolamento fornito da uno strato simile di nitruro di boro. Ma fino ad ora mancavano metodi di sintesi e di elaborazione per modellare litograficamente le giunzioni tra due diversi semiconduttori all'interno di un singolo strato di nanometri di spessore per formare transistor, gli elementi costitutivi dei dispositivi elettronici ultrasottili.

Ora per la prima volta, i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno combinato un nuovo processo di sintesi con tecniche commerciali di litografia a fascio di elettroni per produrre matrici di giunzioni di semiconduttori in schemi arbitrari all'interno di un singolo, semiconduttore di spessore nanometrico. Il processo si basa sulla trasformazione di regioni modellate di una esistente, cristallo a strato singolo in un altro. I ricercatori prima sono cresciuti single, strati spessi nanometri di cristalli di diseleniuro di molibdeno su substrati e poi hanno depositato modelli protettivi di ossido di silicio utilizzando tecniche di litografia standard. Quindi hanno bombardato le regioni esposte dei cristalli con un raggio laser di atomi di zolfo. Gli atomi di zolfo hanno sostituito gli atomi di selenio nei cristalli per formare disolfuro di molibdeno, che ha una struttura cristallina quasi identica. I due cristalli semiconduttori formavano giunzioni affilate, gli elementi costitutivi desiderati dell'elettronica. Comunicazioni sulla natura riporta il compimento.

"Possiamo letteralmente creare qualsiasi tipo di modello che vogliamo, " disse Masoud Mahjouri-Samani, che ha co-diretto lo studio con David Geohegan. Geohegan, capo del gruppo di sintesi e assemblaggio funzionale dei nanomateriali dell'ORNL presso il Centro per le scienze dei materiali nanofase, è il ricercatore principale di un progetto scientifico di base del Dipartimento di Energia incentrato sui meccanismi di crescita e sulla sintesi controllata di nanomateriali. Milioni di blocchi di costruzione 2D con numerosi modelli possono essere realizzati contemporaneamente, Mahjouri-Samani ha aggiunto. Nel futuro, potrebbe essere possibile produrre motivi diversi sulla parte superiore e inferiore di un foglio. Un'ulteriore complessità potrebbe essere introdotta sovrapponendo fogli con motivi diversi.

Aggiunto Geohegan, "Lo sviluppo di un sistema scalabile, un processo facilmente implementabile per modellare litograficamente e formare facilmente eterogiunzioni semiconduttive laterali all'interno di cristalli bidimensionali soddisfa un'esigenza critica di "mattoni" per consentire dispositivi ultrasottili di prossima generazione per applicazioni che vanno dall'elettronica di consumo flessibile all'energia solare".

Accordare il bandgap

"Abbiamo scelto la deposizione laser pulsata dello zolfo a causa del controllo digitale che ti dà sul flusso del materiale che arriva in superficie, " ha detto Mahjouri-Samani. "Si può praticamente fare qualsiasi tipo di lega intermedia. Puoi semplicemente sostituire, dire, 20 percento del selenio con zolfo, o il 30 percento, o 50 percento." Aggiunto Geohegan, "La deposizione laser pulsata consente anche di regolare l'energia cinetica degli atomi di zolfo, consentendoti di esplorare una gamma più ampia di condizioni di elaborazione."

È importante che controllando il rapporto tra zolfo e selenio all'interno del cristallo, i ricercatori possono mettere a punto il bandgap dei semiconduttori, un attributo che determina le proprietà elettroniche e ottiche. Per realizzare dispositivi optoelettronici come display elettroluminescenti, i produttori di microchip integrano semiconduttori con diversi bandgap. Per esempio, bandgap di molibdeno disolfuro è maggiore di molibdeno diseleniuro. L'applicazione di tensione a un cristallo contenente entrambi i semiconduttori fa sì che gli elettroni e i "buchi" (cariche positive create quando gli elettroni si liberano) si muovano dal disolfuro di molibdeno al diseleniuro di molibdeno e si ricombinano per emettere luce al bandgap del diseleniuro di molibdeno. Per tale motivo, ingegnerizzare le bande proibite dei sistemi monostrato può consentire la generazione di luce con molti colori diversi, oltre a consentire altre applicazioni come transistor e sensori, Ha detto Mahjouri-Samani.

Successivamente i ricercatori vedranno se il loro metodo di vaporizzazione e conversione laser pulsato funzionerà con atomi diversi da zolfo e selenio. "Stiamo cercando di creare sistemi più complessi su un piano 2D, integrando più ingredienti, mettere in diversi elementi costitutivi, perché alla fine della giornata, un dispositivo funzionante completo necessita di diversi semiconduttori e metalli e isolanti, " Ha detto Mahjouri-Samani.

Per comprendere il processo di conversione di un cristallo di spessore nanometrico in un altro, i ricercatori hanno utilizzato le potenti funzionalità di microscopia elettronica disponibili presso l'ORNL, in particolare la microscopia elettronica a trasmissione a scansione con contrasto Z a risoluzione atomica, che è stato sviluppato in laboratorio ed è ora disponibile per gli scienziati di tutto il mondo utilizzando il Center for Nanophase Materials Sciences. Utilizzando questa tecnica, i microscopisti elettronici Andrew Lupini e lo scienziato in visita Leonardo Basile hanno ripreso reti esagonali di singole colonne di atomi nei cristalli di diseleniuro di molibdeno e disolfuro di molibdeno spessi nanometri.

"Potremmo distinguere direttamente tra gli atomi di zolfo e di selenio per la loro intensità nell'immagine, " Lupini said. "These images and electron energy loss spectroscopy allowed the team to characterize the semiconductor heterojunction with atomic precision."