Dalla scoperta del 2003 del materiale di carbonio di un singolo atomo noto come grafene, c'è stato un interesse significativo anche per altri tipi di materiali 2-D.

Questi materiali possono essere impilati insieme come i mattoncini Lego per formare una gamma di dispositivi con funzioni diverse, compreso il funzionamento come semiconduttori. In questo modo, potrebbero essere utilizzati per creare ultrasottili, flessibile, dispositivi elettronici trasparenti e indossabili.

Però, la separazione di un materiale cristallino sfuso in scaglie bidimensionali per l'uso nell'elettronica si è rivelata difficile da realizzare su scala commerciale.

Il processo esistente, in cui i singoli fiocchi vengono separati dai cristalli sfusi stampando ripetutamente i cristalli su un nastro adesivo, è inaffidabile e richiede tempo, che richiedono molte ore per raccogliere materiale sufficiente e formare un dispositivo.

Ora i ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT hanno sviluppato una tecnica per raccogliere wafer di 2 pollici di diametro di materiale 2-D in pochi minuti. Possono quindi essere impilati insieme per formare un dispositivo elettronico entro un'ora.

La tecnica, che descrivono in un articolo pubblicato sulla rivista Scienza , potrebbe aprire la possibilità di commercializzare dispositivi elettronici basati su una varietà di materiali 2-D, secondo Jeehwan Kim, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, che ha condotto la ricerca.

I co-primi autori dell'articolo erano Sanghoon Bae, che era coinvolto nella fabbricazione di dispositivi flessibili, e Jaewoo Shim, che ha lavorato all'impilamento dei monostrati di materiale 2-D. Entrambi sono postdoc nel gruppo di Kim.

I coautori del documento includevano anche studenti e postdoc del gruppo di Kim, così come i collaboratori di Georgia Tech, l'Università del Texas, Università Yonsei in Corea del Sud, e l'Università della Virginia. Sang Hoon Bae, Jaewoo Shim, Wei Kong, e Doyoon Lee nel gruppo di ricerca di Kim hanno ugualmente contribuito a questo lavoro.

"Abbiamo dimostrato che possiamo eseguire l'isolamento monostrato per monostrato di materiali 2-D su scala wafer, " dice Kim. "In secondo luogo, abbiamo dimostrato un modo per impilare facilmente questi monostrati in scala di wafer di materiale 2-D".

I ricercatori hanno prima coltivato una spessa pila di materiale 2-D sopra un wafer di zaffiro. Hanno quindi applicato una pellicola di nichel spessa 600 nanometri sulla parte superiore della pila.

Poiché i materiali 2-D aderiscono molto più fortemente al nichel che allo zaffiro, sollevare questo film ha permesso ai ricercatori di separare l'intero stack dal wafer.

Cosa c'è di più, anche l'adesione tra il nichel ed i singoli strati di materiale 2-D è maggiore di quella tra ciascuno degli strati stessi.

Di conseguenza, quando un secondo film di nichel è stato poi aggiunto al fondo della pila, i ricercatori sono stati in grado di staccare singoli, monostrati spessi di un singolo atomo di materiale 2-D.

Questo perché la rimozione del primo film di nichel genera crepe nel materiale che si propagano fino al fondo della pila, dice Kim.

Una volta che il primo monostrato raccolto dal film di nichel è stato trasferito su un substrato, il processo può essere ripetuto per ogni strato.

"Utilizziamo una meccanica molto semplice, e utilizzando questo concetto di propagazione controllata della cricca siamo in grado di isolare materiale 2-D monostrato su scala wafer, " lui dice.

La tecnica universale può essere utilizzata con una gamma di diversi materiali 2-D, compreso nitruro di boro esagonale, disolfuro di tungsteno, e bisolfuro di molibdeno.

In questo modo può essere utilizzato per produrre diversi tipi di materiali 2-D monostrato, come semiconduttori, metalli, e isolanti, che possono poi essere impilati insieme per formare le eterostrutture 2-D necessarie per un dispositivo elettronico.

"Se si fabbricano dispositivi elettronici e fotonici utilizzando materiali 2-D, i dispositivi saranno spessi solo pochi monostrati, " Kim dice. "Saranno estremamente flessibili, e può essere stampato su qualsiasi cosa, " lui dice.

Il processo è veloce e a basso costo, rendendolo adatto ad operazioni commerciali, Aggiunge.

I ricercatori hanno anche dimostrato la tecnica fabbricando con successo array di transistor ad effetto di campo su scala wafer, con uno spessore di pochi atomi.

"Il lavoro ha un grande potenziale per portare i materiali 2-D e le loro eterostrutture verso applicazioni del mondo reale, "dice Philip Kim, professore di fisica all'Università di Harvard, che non è stato coinvolto nella ricerca.

I ricercatori stanno ora progettando di applicare la tecnica per sviluppare una gamma di dispositivi elettronici, compreso un array di memoria non volatile e dispositivi flessibili che possono essere indossati sulla pelle.

Sono anche interessati ad applicare la tecnica per sviluppare dispositivi da utilizzare nell'"Internet delle cose, " dice Kim.

"Tutto quello che devi fare è coltivare questi spessi materiali 2-D, quindi isolarli in monostrati e impilarli. Quindi è estremamente economico, molto più economico del processo a semiconduttore esistente. Ciò significa che porterà materiali 2-D a livello di laboratorio nella produzione per la commercializzazione, " dice Kim.

"Questo lo rende perfetto per le reti IoT, perché se dovessi usare semiconduttori convenzionali per i sistemi di rilevamento sarebbe costoso."