Un team di scienziati e ingegneri multidisciplinari dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha scoperto un nuovo, più preciso, metodo per creare dispositivi elettromeccanici di dimensioni nanometriche. I risultati della loro ricerca sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

"Negli ultimi cinque anni, c'è stata un'enorme corsa all'oro in cui i ricercatori hanno capito che potevamo realizzare materiali 2-D che sono naturalmente spessi solo una molecola ma possono avere molte proprietà elettroniche diverse, e impilandoli uno sopra l'altro, potremmo progettare quasi tutti i dispositivi elettronici a dimensioni molecolari, " disse Arend van der Zande, professore di scienze meccaniche e ingegneria.

"La sfida era sebbene potessimo ridurre queste strutture allo spessore di poche molecole, non siamo riusciti a modellarli, " Egli ha detto.

A qualsiasi scala di dispositivo elettronico, gli strati sono incisi secondo schemi precisi per controllare come scorre la corrente. "Questo concetto è alla base di molte tecnologie, come circuiti integrati. Però, più piccolo vai, più è difficile farlo, ", ha detto van der Zande.

"Per esempio, come si fa a stabilire un contatto elettrico sullo strato molecolare tre e cinque, ma non sullo strato quattro a livello atomico?"

Una scoperta fortuita ha portato a un metodo per fare proprio questo.

Come nuovo ricercatore post-dottorato nel laboratorio di van der Zande, Jangyup Son stava eseguendo alcuni esperimenti su singoli strati di grafene usando difluoruro di xeno, XeF2, quando gli è capitato di "buttare dentro" un altro materiale a portata di mano:nitruro di boro esagonale (hBN), un isolante elettrico.

"Jangyup ha spinto contemporaneamente entrambi i materiali nella camera di incisione, e quello che vide fu che c'era ancora un singolo strato di grafene, ma un pezzo spesso di hBN è stato completamente inciso dal difluoruro di xeno."

Questa scoperta accidentale ha portato il team a vedere dove potevano applicare la capacità del grafene di resistere all'agente di incisione.

"Questa scoperta ci ha permesso di modellare strutture bidimensionali posizionando strati di grafene tra altri materiali, come nitruro di boro esagonale (hBN), dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC), e fosforo nero (BP), per incidere in modo selettivo e preciso uno strato senza incidere lo strato sottostante."

Grafene, quando esposto all'agente di attacco XeF2, conserva la sua struttura molecolare e le maschere, o protegge, il livello sottostante e ferma effettivamente l'incisione.

"Quello che abbiamo scoperto è un modo per modellare strutture complicate su scala molecolare e atomica, " Egli ha detto.

Per esplorare i punti di forza della nuova tecnica, il gruppo ha creato un semplice transistor al grafene per testare le sue prestazioni rispetto ai transistor al grafene tradizionalmente realizzati, che sono attualmente modellati in modo da indurre disordine nel materiale, degradando le loro prestazioni.

"Poiché queste molecole sono tutte di superficie, se ce l'hai seduto su qualcosa con qualsiasi disturbo, incasina la capacità degli elettroni di muoversi attraverso il materiale e quindi le prestazioni elettroniche, " ha detto van der Zande. "Per realizzare il miglior dispositivo possibile, è necessario incapsulare la molecola di grafene in un altro materiale bidimensionale come l'hBN isolante per mantenerlo super piatto e pulito".

È qui che la nuova tecnica è così utile. La molecola di grafene può rimanere incapsulata e incontaminata, pur resistendo all'incisione necessaria per entrare in contatto con il materiale, preservando così le proprietà del materiale.

Come prova del concetto, i transistor realizzati con la nuova tecnica hanno superato tutti gli altri transistor, "rendendoli i migliori transistor al grafene finora dimostrati in letteratura".

I prossimi passi, disse van der Zande, sono per vedere quanto è scalabile la tecnica e se consentirà dispositivi precedentemente impossibili. Possiamo sfruttare la natura auto-arresto di questa tecnica per creare un milione di transistor identici invece di uno solo? Possiamo modellare dispositivi su scala nanometrica in tutte e tre le dimensioni allo stesso tempo per creare nanonastri senza alcun disordine?

"Ora che abbiamo un modo per ridurre al minimo il disordine all'interno del materiale, stiamo esplorando modi per creare funzionalità più piccole perché possiamo eseguire l'incapsulamento e il patterning allo stesso tempo, " ha detto. "Normalmente, quando provi a creare elementi più piccoli come nanonastri di materiali 2-D, il disordine inizia a dominare, quindi i dispositivi non funzionano correttamente."

"L'incisione al grafene si ferma, come si chiama la tecnica, renderà più semplice l'intero processo di costruzione dei dispositivi."