Le possibilità per il nuovo campo della bidimensionalità, materiali a uno strato atomico di spessore, incluso ma non limitato al grafene, appaiono quasi illimitati. In una nuova ricerca, Gli scienziati dei materiali della Penn State riportano due scoperte che forniranno un modo semplice ed efficace per "stencil" materiali 2D di alta qualità in posizioni precise e superare una barriera al loro uso nell'elettronica di prossima generazione.

Nel 2004, la scoperta di un modo per isolare un singolo strato atomico di carbonio, il grafene, ha aperto un nuovo mondo di materiali 2D con proprietà non necessariamente presenti nel familiare mondo 3D. Tra questi materiali c'è un ampio gruppo di elementi, i metalli di transizione, che cadono nel mezzo della tavola periodica. Quando gli atomi di alcuni metalli di transizione, per esempio molibdeno, sono stratificati tra due strati di atomi degli elementi calcogenuri, come zolfo o selenio, il risultato è un sandwich a tre strati chiamato dicalcogenuro di metallo di transizione. I TMD hanno creato un enorme interesse tra gli scienziati dei materiali a causa del loro potenziale per nuovi tipi di elettronica, optoelettronica e computazione.

"Ciò su cui ci siamo concentrati in questo articolo è la capacità di realizzare questi materiali su ampie aree di un substrato esattamente nei luoghi in cui li vogliamo, "dice Joshua Robinson, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali. "Questi materiali sono di interesse per una varietà di elettronica di prossima generazione, non necessariamente per sostituire il silicio, ma per aumentare le tecnologie attuali e, infine, per portare nuove funzionalità di chip al silicio che non abbiamo mai avuto prima."

Per integrare i TMD con il silicio nei transistor, le aziende produttrici di chip dovranno disporre di un metodo per posizionare gli atomi esattamente dove sono necessari. Questo metodo non era disponibile fino ad ora. Nel loro articolo sui materiali 2D, "Crescita selettiva dell'area e accoppiamento controllato del substrato di dicalcogenuri di metalli di transizione, " Robinson e il suo gruppo dimostrano, per la prima volta, un metodo semplice per creare modelli precisi di materiali bidimensionali utilizzando tecniche familiari a qualsiasi laboratorio di nanotecnologia.

"Si scopre che il processo è semplice, " spiega Robinson. "Giriamo il fotoresist sul campione nella camera bianca, come se stessimo per iniziare a creare un dispositivo. Può essere uno qualsiasi dei polimeri utilizzati nella nanofabbricazione. Lo esponiamo quindi alla luce ultravioletta nelle zone desiderate, e lo sviluppiamo come una fotografia. Dove il polimero è stato esposto alla luce, si lava via, e quindi puliamo ulteriormente la superficie con processi di incisione al plasma standard. I materiali 2D cresceranno solo nelle aree che sono state pulite".

Una seconda semplice scoperta descritta in questo lavoro che potrebbe aiutare a far avanzare il campo della ricerca TMD riguarda il superamento del forte effetto che un substrato ha sui materiali 2D cresciuti sopra il substrato. In questo caso, bisolfuro di molibdeno, un TMD a semiconduttore altamente studiato, è stato coltivato su un substrato di zaffiro utilizzando le tipiche tecniche di deposizione a base di polvere. Ciò ha portato alle proprietà dell'interfaccia zaffiro/disolfuro di molibdeno che controllano le proprietà desiderate del bisolfuro di molibdeno, rendendolo inadatto alla fabbricazione di dispositivi.

"Avevamo bisogno di disaccoppiare gli effetti del substrato sullo strato 2D senza trasferire gli strati dallo zaffiro, "dice Robinson, "e così abbiamo semplicemente provato a inzuppare il materiale così come cresciuto in azoto liquido e tirarlo fuori nell'aria per 'incrinare' l'interfaccia. Si è scoperto che era sufficiente per separare il disolfuro di molibdeno dallo zaffiro e avvicinarsi alle prestazioni intrinseche di il bisolfuro di molibdeno."

Il processo è abbastanza delicato da indebolire i legami che collegano il materiale 2D al substrato senza liberarlo completamente. L'esatto meccanismo per allentare i legami è ancora oggetto di indagine, a causa della complessità di questo "semplice processo, " disse Robinson. I due materiali si restringono a velocità diverse, che potrebbe farli scoppiare, ma potrebbe anche essere dovuto al gorgogliamento dell'azoto liquido mentre si trasforma in gas, o anche il contatto con il vapore acqueo nell'aria che forma ghiaccio sul campione.

"Stiamo ancora lavorando per capire l'esatto meccanismo, ma sappiamo che funziona davvero bene, almeno con bisolfuro di molibdeno, "dice Robinson.