La recente sintesi di eterostrutture unidimensionali di van der Waals, un tipo di eterostruttura realizzata stratificando materiali bidimensionali dello spessore di un atomo, può portare a nuovi, elettronica miniaturizzata che al momento non è possibile, secondo un team di ricercatori della Penn State e dell'Università di Tokyo.

Gli ingegneri producono comunemente eterostrutture per ottenere nuove proprietà dei dispositivi che non sono disponibili in un singolo materiale. Un'eterostruttura di van der Waals è fatta di materiali 2D che sono impilati direttamente uno sopra l'altro come i mattoncini Lego o un sandwich. La forza di van der Waals, che è una forza attrattiva tra molecole o atomi non carichi, tiene insieme i materiali.

Secondo Slava V. Rotkin, Penn State Frontier Professor di Ingegneria e Meccanica, l'eterostruttura unidimensionale di van der Waals prodotta dai ricercatori è diversa dalle eterostrutture di van der Waals che gli ingegneri hanno prodotto finora.

"Sembra una pila di materiali a strati 2D arrotolati in un cilindro perfetto, " Disse Rotkin. "In altre parole, se arrotoli un panino, tieni tutte le cose buone dove dovrebbero essere e non ti muovi, ma in questo caso lo fai anche un cilindro sottile, molto compatto come un hot-dog o un lungo sushi roll. In questo modo, i materiali 2D sono ancora in contatto tra loro in una sequenza di eterostruttura verticale desiderata mentre non è necessario preoccuparsi dei loro bordi laterali, tutto arrotolato, che è un grosso problema per realizzare dispositivi super piccoli."

La ricerca del team, pubblicato in ACS Nano , suggerisce che tutti i materiali 2D potrebbero essere arrotolati in questi cilindri eterostrutturali unidimensionali, noti come etero-nanotubi. I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno recentemente fabbricato elettrodi su un etero-nanotubo e hanno dimostrato che può funzionare come un diodo estremamente piccolo con prestazioni elevate nonostante le sue dimensioni.

"I diodi sono uno dei principali tipi di dispositivi utilizzati nell'optoelettronica:sono nel cuore dei fotorivelatori, celle solari, dispositivi emettitori di luce, eccetera., " Rotkin ha detto. "In elettronica, i diodi sono utilizzati in diversi circuiti specializzati; sebbene l'elemento principale dell'elettronica sia un transistor, due diodi, collegato back-to-back, può servire da interruttore, pure."

Questo apre una potenziale nuova classe di materiali per l'elettronica miniaturizzata.

"Porta la tecnologia dei dispositivi di materiali 2D a un nuovo livello, potenzialmente consentendo una nuova generazione di dispositivi sia elettronici che optoelettronici, " ha detto Rotkin.

Il contributo di Rotkin al progetto è stato quello di risolvere un compito particolarmente impegnativo, che stava assicurando che fossero in grado di fare in modo che il cilindro unidimensionale dell'eterostruttura di van der Waals avesse tutti gli strati di materiale richiesti.

"Usando di nuovo l'analogia del sandwich, avevamo bisogno di sapere se avevamo un guscio di "roast beef" per tutta la lunghezza di un panino cilindrico o se c'erano regioni dove abbiamo solo gusci di "pane" e "lattuga", " Rotkin ha detto. "L'assenza di uno strato isolante centrale significherebbe che abbiamo fallito nella sintesi del dispositivo. Il mio metodo ha mostrato esplicitamente che i gusci centrali erano tutti lì lungo l'intera lunghezza del dispositivo."

In regolare, eterostrutture piane di van der Waals, confermare l'esistenza o l'assenza di alcuni strati può essere fatto facilmente perché sono piatti e hanno una vasta area. Ciò significa che un ricercatore può utilizzare vari tipi di microscopi per raccogliere molto segnale dal grande, aree pianeggianti, quindi sono facilmente visibili. Quando i ricercatori li arrotolano, come nel caso di un'eterostruttura unidimensionale di van der Waals, diventa un cilindro filiforme molto sottile che è difficile da caratterizzare perché emette poco segnale e diventa praticamente invisibile. Inoltre, per dimostrare l'esistenza di uno strato isolante nella giunzione semiconduttore-isolante-semiconduttore del diodo, bisogna risolvere non solo il guscio esterno dell'etero-nanotubo ma quello centrale, che è completamente oscurato dai gusci esterni di un semiconduttore di solfuro di molibdeno.

Per risolvere questo, Rotkin ha utilizzato un microscopio ottico a scansione di campo vicino a dispersione che fa parte del 2D Crystal Consortium del Material Research Institute, che possono "vedere" gli oggetti di dimensioni nanometriche e determinarne le proprietà ottiche dei materiali. Ha anche sviluppato uno speciale metodo di analisi dei dati noto come imaging ottico iperspettrale con risoluzione nanometrica, in grado di distinguere materiali diversi e, così, testare la struttura del diodo unidimensionale lungo tutta la sua lunghezza.

Secondo Rotkin, questa è la prima dimostrazione della risoluzione ottica di un guscio esagonale di nitruro di boro (hBN) come parte di un etero-nanotubo. Nanotubi di hBN puri molto più grandi, costituito da molti gusci di hBN senza altri tipi di materiale, sono stati studiati in passato con un microscopio simile.

"Però, l'imaging di quei materiali è molto diverso da quello che ho fatto prima, " Rotkin ha detto. "Il risultato vantaggioso è nella dimostrazione della nostra capacità di misurare lo spettro ottico dall'oggetto, che è un guscio interno di un filo spesso solo due nanometri. È paragonabile alla differenza tra essere in grado di vedere un ceppo di legno ed essere in grado di riconoscere un bastoncino di grafite all'interno della matita attraverso le pareti della matita".

Rotkin prevede di espandere la sua ricerca per estendere l'imaging iperspettrale per risolvere meglio altri materiali, come il vetro, vari materiali 2D, e tubuli proteici e virus.

"Si tratta di una nuova tecnica che porterà a, auspicabilmente, future scoperte che accadono, " ha detto Rotkin.