I nanomateriali potrebbero fornire la base di molte tecnologie emergenti, compreso estremamente piccolo, flessibile, ed elettronica trasparente.

Sebbene molti nanomateriali mostrino proprietà elettroniche promettenti, scienziati e ingegneri stanno ancora lavorando per integrare al meglio questi materiali insieme per creare eventualmente semiconduttori e circuiti con essi.

I ricercatori della Northwestern Engineering hanno creato eterostrutture bidimensionali (2-D) da due di questi materiali, grafene e borofene, facendo un passo importante verso la creazione di circuiti integrati da questi nanomateriali.

"Se dovessi aprire un circuito integrato all'interno di uno smartphone, vedresti molti materiali diversi integrati insieme, " ha detto Mark Hersam, Walter P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, che ha condotto la ricerca. "Però, abbiamo raggiunto i limiti di molti di quei materiali tradizionali. Integrando insieme nanomateriali come borofene e grafene, stiamo aprendo nuove possibilità nella nanoelettronica".

Supportato dall'Ufficio per la ricerca navale e dalla National Science Foundation, i risultati sono stati pubblicati l'11 ottobre sulla rivista Progressi scientifici . Oltre a Hersam, dottorato in fisica applicata lo studente Xiaolong Liu è coautore di questo lavoro.

Creare un nuovo tipo di eterostruttura

Qualsiasi circuito integrato contiene molti materiali che svolgono funzioni diverse, come condurre elettricità o mantenere i componenti isolati elettricamente. Ma mentre i transistor all'interno dei circuiti sono diventati sempre più piccoli, grazie ai progressi nei materiali e nella produzione, sono vicini a raggiungere il limite di quanto possono diventare piccoli.

I materiali 2-D ultrasottili come il grafene hanno il potenziale per aggirare questo problema, ma l'integrazione di materiali 2D insieme è difficile. Questi materiali sono spessi solo un atomo, quindi se gli atomi dei due materiali non si allineano perfettamente, è improbabile che l'integrazione abbia successo. Sfortunatamente, la maggior parte dei materiali 2-D non corrisponde alla scala atomica, presentando sfide per i circuiti integrati 2-D.

Borofene, la versione 2-D del boro che Hersam e colleghi hanno sintetizzato per la prima volta nel 2015, è polimorfo, il che significa che può assumere molte strutture diverse e adattarsi al suo ambiente. Ciò lo rende un candidato ideale da combinare con altri materiali 2-D, come il grafene.

Per verificare se fosse possibile integrare i due materiali in un'unica eterostruttura, Il laboratorio di Hersam ha coltivato sia grafene che borofene sullo stesso substrato. Hanno coltivato prima il grafene, poiché cresce a una temperatura più elevata, quindi depositava il boro sullo stesso substrato e lo lasciava crescere in regioni dove non c'era grafene. Questo processo ha portato a interfacce laterali in cui, a causa della natura accomodante del borofene, i due materiali cuciti insieme su scala atomica.

Misurazione delle transizioni elettroniche

Il laboratorio ha caratterizzato l'eterostruttura 2-D utilizzando un microscopio a effetto tunnel e ha scoperto che la transizione elettronica attraverso l'interfaccia era eccezionalmente brusca, il che significa che potrebbe essere l'ideale per creare piccoli dispositivi elettronici.

"Questi risultati suggeriscono che possiamo creare dispositivi ad altissima densità lungo la strada, " disse Hersam. Alla fine, Hersam spera di ottenere strutture 2-D sempre più complesse che portino a nuovi dispositivi e circuiti elettronici. Lui e il suo team stanno lavorando alla creazione di ulteriori eterostrutture con borofene, combinandolo con un numero crescente delle centinaia di materiali 2-D conosciuti.

"Negli ultimi 20 anni, nuovi materiali hanno consentito la miniaturizzazione e di conseguenza le prestazioni migliorate nella tecnologia dei transistor, " ha detto. "I materiali bidimensionali hanno il potenziale per fare il salto successivo".