Formazione di canali 1D. un, Schema del processo di patterning guidato da dislocazioni disadattate (contrassegnate come "T") all'eterogiunzione laterale MoS2-WSe2. B, C, Immagini ADF-STEM a risoluzione atomica sovrapposte alle loro mappe di deformazione εxx (vedi Fig. 2 per maggiori dettagli) che identificano le dislocazioni periodiche all'interfaccia di MoS2 e WSe2 (b) e i canali 1D creati dalla migrazione chimicamente guidata delle dislocazioni interfacciali come vengono aggiunti ulteriori atomi di S e Mo (c). Le mappe di deformazione si riferiscono al reticolo WSe2. Credito: Materiali della natura (2017). doi:10.1038/nmat5038
I "materiali bidimensionali" - materiali depositati in strati dello spessore di pochi atomi - sono promettenti sia per l'elettronica ad alte prestazioni che per i flessibili, elettronica trasparente che potrebbe essere stratificata su superfici fisiche per rendere l'informatica onnipresente.
Il materiale 2-D più noto è il grafene, che è una forma di carbonio, ma recentemente i ricercatori hanno studiato altri materiali 2-D, come il bisolfuro di molibdeno, che hanno il loro, vantaggi distinti.
Produrre elettronica utile, però, richiede l'integrazione di più materiali 2D sullo stesso piano, che è una sfida difficile. Nel 2015, i ricercatori della King Abdullah University in Arabia Saudita hanno sviluppato una tecnica per depositare disolfuro di molibdeno (MoS2) accanto a diseleniuro di tungsteno (WSe2), con una giunzione molto pulita tra i due materiali. Con una variazione della tecnica, ricercatori della Cornell University hanno poi scoperto che potevano indurre lunghi, fili dritti di MoS2, solo pochi atomi di diametro, per estendersi nel WSe2, preservando la giunzione pulita.
I ricercatori hanno contattato Markus Buehler, il McAfee Professor of Engineering nel Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT, specializzato in modelli a livello atomico di propagazione delle cricche, per vedere se il suo gruppo poteva aiutare a spiegare questo strano fenomeno.
Nell'ultimo numero di Materiali della natura , il re Abdullah, Cornell, e il team di ricercatori del MIT con i colleghi dell'Academia Sinica, l'accademia nazionale di ricerca di Taiwan, e la Texas Tech University per descrivere sia il metodo di deposizione del materiale che il meccanismo alla base della formazione dei nanofili MoS2, che i ricercatori del MIT sono stati in grado di modellare computazionalmente.
"La produzione di nuovi materiali 2-D rimane ancora una sfida, " Buehler dice. "La scoperta di meccanismi con cui possono essere create determinate strutture materiali desiderate è la chiave per spostare questi materiali verso le applicazioni. In questo processo, il lavoro congiunto di simulazione ed esperimento è fondamentale per fare progressi, in particolare utilizzando modelli di materiali a livello molecolare che consentono nuove direzioni di progettazione".
cablato
La capacità di creare lunghi, i sottili canali MoS2 in WSe2 potrebbero avere un numero di applicazioni, dicono i ricercatori.
Una leggera discrepanza tra le strutture esagonali di bisolfuro di molibdeno e diseleniuro di tungsteno crea un ceppo che può essere rilasciato dalla formazione di una "dislocazione 5|7, " in cui due esagoni collassano per formare un pentagono e un ettagono. Le reazioni con il disolfuro di molibdeno nell'ambiente fanno sì che la dislocazione si sposti più in profondità nel diseleniuro di tungsteno, trascinando dietro di esso un nanofilo di bisolfuro di molibdeno. Credito:Massachusetts Institute of Technology
"Sulla base delle proprietà elettriche [dei materiali] e delle proprietà ottiche, le persone stanno cercando di utilizzare MoS2 e WSe2 per le celle solari o per la scissione dell'acqua in base alla luce solare, "dice Gang Seob Jung, uno studente laureato del MIT in ingegneria civile e ambientale e coautore del nuovo documento. "La maggior parte delle cose interessanti accade all'interfaccia. Quando non si ha solo un'interfaccia, se ci sono molte interfacce a nanocavi, si potrebbe migliorare l'efficienza di una cella solare, anche se è abbastanza casuale."
Ma la spiegazione teorica del meccanismo molecolare alla base della formazione dei nanofili fa anche sperare che la loro formazione possa essere controllata, per consentire l'assemblaggio di componenti elettronici su scala atomica.
"Materiali bidimensionali, uno dei candidati più promettenti per l'elettronica del futuro, alla fine hanno bisogno di battere i dispositivi a base di silicio, che hanno già raggiunto una dimensione di pochi nanometri, "dice Yimo Han, uno studente laureato alla Cornell in chimica e primo autore della carta. "I materiali bidimensionali sono i più sottili nella direzione verticale, ma si estendono ancora su un'area piuttosto ampia nelle dimensioni laterali. Abbiamo realizzato i canali più sottili privi di dislocazioni in materiali bidimensionali, che è un grande passo avanti verso i dispositivi elettronici subnanometrici realizzati con materiali 2-D."
Propagazione di poligoni
In un cristallo 2-D, sia MoS2 che WSe2 si dispongono naturalmente in esagoni in cui gli elementi costitutivi - molibdeno e zolfo o tungsteno e selenio - si alternano. Insieme, questi esagoni producono un motivo a nido d'ape.
La tecnica di fabbricazione dei ricercatori Cornell preserva questo modello a nido d'ape attraverso la giunzione tra i materiali, un'impresa rara e molto utile per le applicazioni elettroniche. La loro tecnica utilizza la deposizione chimica da vapore, in cui un substrato, in questo caso, zaffiro:è esposto a gas che trasportano sostanze chimiche che reagiscono per produrre i materiali desiderati.
Le dimensioni naturali degli esagoni MoS2 e WSe2 sono leggermente diverse, però, quindi la loro integrazione mette a dura prova entrambi i cristalli, particolarmente vicino alla loro giunzione. Se una coppia di esagoni WSe2 proprio alla giunzione MoS2 si converte in un esagono abbinato a un ettagono (un poligono a sette lati), rilascia lo sforzo.
Questa cosiddetta dislocazione 5|7 crea un sito in cui una particella MoS2 può attaccarsi. La reazione risultante inserisce un atomo di molibdeno nel pentagono, producendo un esagono, e rompe l'ettagono. Gli atomi di zolfo si attaccano quindi all'ettagono per formare un'altra dislocazione 5|7. Poiché questo processo si ripete, la dislocazione 5|7 si sposta più in profondità nel territorio WSe2, con un nanofilo che si estende dietro di esso. Il modello in cui lo sforzo sugli esagoni non corrispondenti si rilassa e si ripresenta assicura che la dislocazione progredisca lungo una linea retta.
