Gli scienziati della National University of Singapore hanno scoperto un meccanismo di crescita unico per produrre nastri semiconduttori atomicamente sottili che possono fungere da elemento costitutivo per dispositivi nanoelettronici ad alte prestazioni.

Sintesi di semiconduttori ultrasottili, come il bisolfuro di molibdeno monostrato e composti correlati, ha suscitato un enorme interesse negli ultimi anni per il loro potenziale utilizzo nel miglioramento delle prestazioni dei dispositivi nanoelettronici. La capacità di sintetizzare questa classe emergente di materiali con una geometria desiderata giocherebbe un ruolo importante nel facilitare il loro processo di produzione e implementazione in circuiti integrati ad alta densità.

Un team guidato dal Prof Goki EDA dei Dipartimenti di Fisica e Chimica e del Centro per i materiali 2-D avanzati (CA2DM) del NUS ha scoperto un modo per far crescere strutture a nano e micro-nastro di bisolfuro di molibdeno con uno spessore di soli tre atomi e in media centinaia di nanometri di larghezza. Il metodo prevede la reazione del vapore di zolfo con una miscela di triossido di molibdeno e sale di cloruro di sodio a ~700oC su una superficie di cristallo pulita. I ricercatori hanno scoperto che il sale reagisce con il triossido di molibdeno per produrre un composto terziario contenente sodio, molibdeno e ossigeno in vari rapporti atomici. Questo composto quindi si scioglie e forma piccole goccioline alla temperatura di crescita (~700 gradi C). Le goccioline microscopiche di questo composto reagiscono quindi con lo zolfo per formare bisolfuro di molibdeno ultrasottile a forma di nastro. Questa struttura è sorprendentemente diversa dal prodotto tipico di una crescita senza sale, che è di forma triangolare ed esagonale.

"La crescita dei nastri ordinati è stata una grande sorpresa perché il modello di crescita standard non prevede tali strutture, ma ci siamo resi conto che era il risultato di un meccanismo di crescita distinto, " ha detto il dottor LI, che era un ricercatore nel gruppo del Prof Eda, ma ora è con l'Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali in Giappone. Il meccanismo di crescita comunemente accettato si basa sulla dinamica intrinseca dei precursori per diffondersi e auto-organizzarsi sulla superficie del substrato. Il dottor Li ha aggiunto, "Questo meccanismo non potrebbe spiegare le nostre osservazioni".

I ricercatori spiegano che il fenomeno osservato è una forma della ben nota crescita vapore-liquido-solido (VLS) in cui i precursori della fase vapore si condensano in un liquido intermedio prima di formare il prodotto solido. La morfologia dei nastri stretti ottenuti in questo studio è stata, però, a differenza di quanto ci si aspetta normalmente da una crescita VLS, che tipicamente produce strutture cilindriche o tubolari. La loro osservazione indica che la goccia di liquido si muove sulla superficie del substrato in modo ordinato, lasciando dietro di sé una traccia di cristalli ultrasottili. Il processo è simile a "dipingere con una goccia d'inchiostro".

I nastri semiconduttori sintetizzati con questo metodo hanno mostrato un'elevata qualità dei cristalli. I ricercatori hanno dimostrato che transistor microscopici ad alte prestazioni (con una mobilità dell'effetto di campo di ~30 cm ² /Vs e rapporto on-off di ~106) possono essere fabbricati dai singoli nastri. Poiché il materiale così sintetizzato è già nella forma adatta al dispositivo, questo nuovo metodo di crescita consente la semplice fabbricazione del dispositivo senza la necessità di un ulteriore passaggio di modellazione, che è normalmente richiesto quando vengono utilizzati altri metodi di sintesi.

Il professor Eda ha detto, "Il nostro lavoro apre molte domande interessanti sulla crescita della superficie e dell'interfaccia dei nanomateriali. Riteniamo che molti altri materiali possano essere coltivati ​​utilizzando un approccio simile. L'obiettivo a breve termine è comprendere meglio il meccanismo di crescita e controllare la morfologia dei nastri. "

Il professor Eda prevede che la capacità di far crescere direttamente complesse strutture semiconduttive faciliterà notevolmente la realizzazione di dispositivi nanoelettronici ad alte prestazioni.