I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno coltivato strati cristallini atomicamente sottili di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) con composizione variabile nello spazio, alimentando continuamente diversi tipi di TMDC a una camera di crescita per adattare i cambiamenti nelle proprietà. Gli esempi includono strisce da 20 nanometri circondate da TMDC con interfacce atomicamente diritte e strutture a strati. Hanno anche sondato direttamente le proprietà elettroniche di queste eterostrutture; le potenziali applicazioni includono l'elettronica con un'efficienza energetica senza precedenti.

I semiconduttori sono indispensabili; circuiti integrati a base di silicio sono alla base del funzionamento di tutto ciò che è digitale, da dispositivi discreti come computer, smartphone ed elettrodomestici per controllare componenti per ogni possibile applicazione industriale. Un'ampia gamma di ricerche scientifiche è stata indirizzata ai prossimi passi nella progettazione dei semiconduttori, in particolare l'applicazione di nuovi materiali per ingegnerizzare più compatti, circuiti efficienti che sfruttano il comportamento della meccanica quantistica dei materiali su scala nanometrica. Di particolare interesse sono i materiali con una dimensionalità fondamentalmente diversa; l'esempio più famoso è il grafene, un reticolo bidimensionale di atomi di carbonio atomicamente sottile.

I dicalcogenuri dei metalli di transizione (o TMDC) sono candidati promettenti per l'incorporazione in nuovi dispositivi a semiconduttore. Composto da metalli di transizione come molibdeno e tungsteno e un calcogeno (o elemento del gruppo 16) come zolfo o selenio, possono formare strutture cristalline stratificate le cui proprietà cambiano drasticamente al variare dell'elemento metallico, dai metalli normali ai semiconduttori, anche ai superconduttori. Intrecciando in modo controllabile domini di TMDC diversi in un'unica eterostruttura (fatta di domini con composizione diversa), potrebbe essere possibile produrre elettronica atomicamente sottile con distinti, proprietà superiori ai dispositivi esistenti.

Un team guidato dal Dr. Yu Kobayashi e dal Professore Associato Yasumitsu Miyata della Tokyo Metropolitan University è stato all'avanguardia negli sforzi per creare eterostrutture bidimensionali con diversi TMDC utilizzando la deposizione in fase vapore, la deposizione di materiale precursore allo stato di vapore su una superficie per formare strati cristallini atomicamente piatti. Una delle maggiori sfide che hanno dovuto affrontare è stata la creazione di un'interfaccia perfettamente piatta tra diversi domini, una caratteristica essenziale per ottenere il massimo da questi dispositivi. Ora, sono riusciti a progettare un processo continuo per far crescere strisce cristalline ben definite di diversi TMDC ai margini dei domini esistenti, creando strisce sottili fino a 20 nm con una composizione diversa. Il loro nuovo processo utilizza precursori liquidi che possono essere inseriti in sequenza in una camera di crescita; ottimizzando il tasso di crescita, sono stati in grado di far crescere eterostrutture con domini distinti collegati perfettamente su bordi atomicamente dritti. Hanno ripreso direttamente il collegamento utilizzando la microscopia a effetto tunnel (STM), trovando un ottimo accordo con primi-principi simulazioni numeriche di come dovrebbe essere un'interfaccia ideale. Il team ha utilizzato quattro diversi TMDC, e ha anche realizzato un'eterostruttura strato su strato.

Creando interfacce atomicamente nitide, gli elettroni possono essere efficacemente confinati in spazi unidimensionali su questi dispositivi 2-D, per un controllo accurato del trasporto degli elettroni e della resistività, nonché delle proprietà ottiche. Il team spera che questo possa aprire la strada a dispositivi con un'efficienza energetica senza pari e nuove proprietà ottiche.