I ricercatori della Johns Hopkins University hanno sviluppato un nuovo metodo per produrre cristalli semiconduttori atomicamente sottili che un giorno potrebbe consentire dispositivi elettronici più potenti e compatti.

Utilizzando superfici in silicone appositamente trattate per adattare le dimensioni e la forma dei cristalli, i ricercatori hanno trovato un modo potenzialmente più veloce e meno costoso per produrre cristalli semiconduttori di nuova generazione per microchip. I materiali cristallini prodotti in questo modo potrebbero a loro volta consentire nuove scoperte scientifiche e accelerare gli sviluppi tecnologici nell'informatica quantistica, elettronica di consumo, e celle solari e batterie ad alta efficienza.

I risultati sono descritti in un articolo pubblicato oggi in Nanotecnologia della natura .

"Avere un metodo per scolpire i cristalli su scala nanometrica con precisione, rapidamente, e senza la necessità dei tradizionali processi top-down, presenta importanti vantaggi per l'utilizzo diffuso dei nanomateriali nelle applicazioni tecnologiche, " ha detto Thomas J. Kempa, un professore di chimica alla Johns Hopkins University che ha diretto la ricerca.

Il team di Kempa ha prima cosparso i substrati di silicio, i supporti ampiamente utilizzati negli ambienti industriali per trasformare i semiconduttori in dispositivi, con gas fosfina. Quando i cristalli sono stati persuasi a crescere sui supporti di silicio trattati con fosfina, gli autori hanno scoperto che sono cresciuti in strutture molto più piccole e di qualità superiore rispetto ai cristalli preparati con mezzi tradizionali.

I ricercatori hanno scoperto che la reazione della fosfina con il supporto di silicio ha causato la formazione di una nuova "superficie di design". Questa superficie ha stimolato i cristalli a crescere come "nastri" orizzontali in contrasto con i fogli planari e triangolari che vengono tipicamente prodotti. Inoltre, la carnagione uniforme e la struttura dai bordi netti di questi nastri rivaleggiava con la qualità dei nanocristalli preparati attraverso processi di modellazione e incisione standard del settore, che spesso sono laboriosi, lungo, e costoso, ha detto Kempa.

I nanocristalli preparati in questo studio sono chiamati "dicalcogenuri di metalli di transizione" o TMD. Come il grafene, I TMD hanno goduto di un'attenzione diffusa per il possesso di potenti proprietà che sono una conseguenza unica della loro scala "bidimensionale". Ma i metodi di elaborazione convenzionali lottano per alterare prontamente la trama dei TMD in modi che si adattano alle nuove scoperte e allo sviluppo di tecnologie più performanti.

In particolare, le versioni di TMD che Kempa e il suo team sono stati in grado di creare erano così piccole che le hanno soprannominate "unidimensionali" per differenziarle dai soliti fogli bidimensionali con cui la maggior parte dei ricercatori ha familiarità.

I limiti di elaborazione dei materiali sono uno dei motivi per cui la legge di Moore ha subito un rallentamento negli ultimi anni. La regola, posta nel 1965 dal co-fondatore di Intel Gordon E. Moore, afferma che il numero di transistor, e le loro prestazioni, in un circuito integrato denso raddoppierà circa ogni due anni. Imballando così tanti transistor di dimensioni micron in microchip, o circuiti integrati, è la ragione per cui l'elettronica di consumo è diventata sempre più piccola, Più veloce, e più intelligente negli ultimi decenni.

Però, l'industria dei semiconduttori sta ora lottando per mantenere quel ritmo.

Le caratteristiche notevoli dei cristalli preparati da Kempa e dal suo team includono:

1. La loro struttura atomica altamente uniforme e la loro qualità derivano dal fatto che sono stati sintetizzati anziché fabbricati attraverso i metodi tradizionali di modellazione e incisione. L'elegante qualità di questi cristalli potrebbe renderli più efficienti nel condurre e convertire l'energia in celle solari o catalizzatori.
2. I ricercatori sono stati in grado di far crescere direttamente i cristalli secondo le loro precise specifiche modificando la quantità di fosfina.
3. Il "substrato di design" è "modulare, " il che significa che i laboratori accademici e industriali potrebbero utilizzare questa tecnologia in combinazione con altri processi di crescita dei cristalli esistenti per creare nuovi materiali.
4. Anche i "substrati di design" sono riutilizzabili, risparmiando tempo e denaro nell'elaborazione.
5. Il risultante a forma di nastro, i cristalli unidimensionali emettono luce il cui colore può essere regolato regolando la larghezza del nastro, indicando la loro potenziale promessa nelle applicazioni di informazione quantistica.

"Stiamo contribuendo a un progresso fondamentale nel controllo razionale della forma e delle dimensioni dei materiali su scala nanometrica, " ha detto Kempa.

Questo metodo può "scolpire cristalli su scala nanometrica in modi che non erano facilmente possibili prima, " ha aggiunto. "Un controllo sintetico così preciso della dimensione dei cristalli a queste scale di lunghezza non ha precedenti".

"Il nostro metodo potrebbe far risparmiare tempo e denaro di elaborazione, " ha detto. "La nostra capacità di controllare questi cristalli a piacimento potrebbe consentire applicazioni nell'accumulo di energia, informatica quantistica e crittografia quantistica".