Le vecchie regole non si applicano necessariamente quando si costruiscono componenti elettronici con materiali bidimensionali, secondo gli scienziati della Rice University.

Il laboratorio Rice del fisico teorico Boris Yakobson ha analizzato gli ibridi che affiancano materiali 2-D come il grafene e il nitruro di boro per vedere cosa succede al confine. Hanno scoperto che le caratteristiche elettroniche di tali ibridi "complanari" differiscono dai componenti più ingombranti.

I loro risultati appaiono questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

Rimpicciolire l'elettronica significa rimpicciolire i suoi componenti. I laboratori accademici e le industrie stanno studiando come materiali come il grafene possono consentire il massimo dei dispositivi sottili costruendo tutti i circuiti necessari in uno strato spesso un atomo.

"Il nostro lavoro è importante perché le giunzioni dei semiconduttori sono un grande campo, " Ha detto Yakobson. "Ci sono libri con modelli iconici di comportamento elettronico che sono estremamente ben sviluppati e sono diventati i pilastri consolidati dell'industria.

"Ma questi sono tutti per interfacce bulk-to-bulk tra metalli tridimensionali, " ha detto. "Ora che le persone stanno lavorando attivamente per creare dispositivi bidimensionali, soprattutto con l'elettronica complanare, ci siamo resi conto che le regole devono essere riconsiderate. Molti dei modelli consolidati utilizzati nell'industria semplicemente non si applicano".

I ricercatori guidati dallo studente laureato della Rice, Henry Yu, hanno costruito simulazioni al computer che analizzano il trasferimento di carica tra materiali dello spessore di un atomo.

"È stato un passo logico testare la nostra teoria sia sui metalli che sui semiconduttori, che hanno proprietà elettroniche molto diverse, " Yu ha detto. "Questo rende il grafene, che è un metallo o un semimetallo, per essere precisi:bisolfuro di molibdeno e nitruro di boro, che sono semiconduttori, o anche i loro sistemi ideali ibridi da studiare.

"Infatti, questi materiali sono stati ampiamente fabbricati e utilizzati nella comunità per quasi un decennio, che ne rende più apprezzabile l'analisi sul campo. Per di più, entrambi ibridi di grafene-bisolfuro di molibdeno e nitruro di grafene-boro sono stati recentemente sintetizzati con successo, il che significa che il nostro studio ha un significato pratico e può essere testato in laboratorio ora, " Egli ha detto.

Yakobson ha affermato che i materiali 3-D hanno una regione ristretta per il trasferimento di carica alla giunzione positiva e negativa (o p/n). Ma i ricercatori hanno scoperto che le interfacce 2-D hanno creato "un trasferimento di carica altamente non localizzato" - e un campo elettrico insieme ad esso - che ha aumentato notevolmente le dimensioni della giunzione. Ciò potrebbe dare loro un vantaggio nelle applicazioni fotovoltaiche come le celle solari, hanno detto i ricercatori.

Il laboratorio ha costruito una simulazione di un ibrido di grafene e disolfuro di molibdeno e ha anche considerato nitruro di grafene-boro e grafene in cui metà è stata drogata per creare una giunzione p/n. I loro calcoli hanno previsto che la presenza di un campo elettrico dovrebbe rendere i dispositivi Schottky 2-D (a una via) come transistor e diodi più sintonizzabili in base alle dimensioni del dispositivo stesso.

Anche il modo in cui gli atomi si allineano tra loro è importante, ha detto Yakobson. Il grafene e il nitruro di boro presentano entrambi reticoli esagonali, quindi si incastrano perfettamente. Ma bisolfuro di molibdeno, un altro materiale promettente, non è esattamente piatto, anche se è ancora considerato 2-D.

"Se le strutture atomiche non corrispondono, ottieni legami penzolanti o difetti lungo il confine, " ha detto. "La struttura ha conseguenze per il comportamento elettronico, soprattutto per quello che viene chiamato il pinning a livello di Fermi."

Il pinning può degradare le prestazioni elettriche creando una barriera energetica all'interfaccia, Yakobson ha spiegato. "Ma la tua barriera Schottky (in cui la corrente si muove in una sola direzione) non cambia come previsto. Questo è un fenomeno ben noto per i semiconduttori; è solo che in due dimensioni, è diverso, e in questo caso può favorire i sistemi 2-D rispetto a quelli 3-D."

Yakobson ha affermato che i principi proposti dal nuovo documento si applicheranno agli ibridi modellati di due o più patch 2-D. "Puoi fare qualcosa di speciale, ma gli effetti di base sono sempre alle interfacce. Se vuoi avere molti transistor sullo stesso piano, va bene, ma devi ancora considerare gli effetti agli incroci.

"Non c'è motivo per cui non possiamo costruire raddrizzatori 2-D, transistor o elementi di memoria, " ha detto. "Saranno gli stessi che usiamo abitualmente nei dispositivi ora. Ma a meno che non sviluppiamo un'adeguata conoscenza fondamentale della fisica, potrebbero non riuscire a fare ciò che progettiamo o pianifichiamo."