I materiali bidimensionali sono fondamentali per lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici ultracompatti, ma produrre materiali 2D privi di difetti è una sfida. Però, la scoperta di nuovi tipi di difetti in questi materiali 2D può fornire informazioni su come creare materiali senza tali imperfezioni, secondo un gruppo di ricercatori della Penn State.

"I materiali 2D sono nuovi materiali entusiasmanti per l'elettronica, e perché sono così magri, consentono di ridurre i dispositivi a dimensioni molto ridotte, " ha detto Danielle Reifsnyder Hickey, Penn State assistente ricercatore professore di scienza e ingegneria dei materiali. "Questo è fondamentale per rendere l'elettronica più potente in modo che possa gestire più dati. Tuttavia, è una grande sfida far crescere materiali 2D perfetti su aree abbastanza grandi da essere in grado di realizzare grandi matrici di dispositivi di alta qualità."

Reifsnyder Hickey e il team di ricercatori della Penn State hanno scoperto nuovi tipi di difetti che forniscono indizi per creare materiali 2D privi di difetti. Lo studio è apparso di recente in Nano lettere .

"Abbiamo trovato nuovi difetti della scala Angstrom, a un decimo di nanometro, e siamo stati in grado di correlare la struttura atomica a scale molto grandi, a diversi micron, " disse Nasim Alem, Professore associato di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e autore corrispondente dello studio.

Il team ha studiato i difetti nei film monostrato di disolfuro di tungsteno coltivati ​​dal gruppo di ricerca di Joan Redwing, professore di scienze e ingegneria dei materiali, Penn State. Il disolfuro di tungsteno appartiene a una classe di cristalli 2D noti come dicalcogenuri di metalli di transizione, che sono cristalli dello spessore di tre atomi che hanno proprietà che li rendono ideali per lo sviluppo dell'elettronica futura.

"I monostrati di materiale 2D hanno proprietà diverse rispetto ai cristalli sfusi, "Reifsnyder Hickey ha detto. "Per esempio, hanno band gap diretti e possono quindi essere utilizzati come materiali per transistor molto piccoli, e la loro simmetria cristallina consente nuovi tipi di dispositivi basati su maggiori gradi di libertà rispetto alle loro controparti di massa".

Un band gap diretto è una caratteristica ideale per eccitare un elettrone in uno stato energetico conduttivo per consentire il flusso di elettricità. Tecnologia dei semiconduttori, Per esempio, dipende dalla manipolazione della carica elettronica in questo modo. Recentemente, Anche i gradi di libertà di rotazione e valle si sono dimostrati promettenti nei materiali 2D e possono essere manipolati per abilitare nuovi tipi di dispositivi. Ad esempio, orientare più spin in un materiale può portare al magnetismo, e la distribuzione di elettroni tra diversi stati di energia minima e massima locali - valli - che possiedono la stessa energia ma si verificano con valori di momento diversi può consentire nuovi modi di elaborare e memorizzare le informazioni. Una chiave per sbloccare il potenziale di queste proprietà è la crescita di pellicole prive di difetti, che può essere raggiunto solo identificando e comprendendo i difetti atomici, come è stato ottenuto in questo lavoro.

I difetti scoperti dal team sono noti come confini di grano traslazionali, che si verificano all'interfaccia tra due cristalliti che hanno lo stesso orientamento ma un offset traslazionale. Tipicamente, i bordi dei grani collegano i grani con orientamenti dissimili e possono influenzare le proprietà dei materiali come la conduttività termica ed elettrica, diminuendo il loro valore per l'elettronica. Per studiare gli insoliti bordi di grano traslazionali, il team ha utilizzato una combinazione di imaging al microscopio elettronico a trasmissione a scansione e una simulazione del campo di forza reattiva ReaxFF. ReaxFF è stato sviluppato da Adri van Duin, un illustre professore di ingegneria meccanica della Penn State che ha anche partecipato allo studio.

La ricerca ha scoperto che i confini traslazionali dei grani identificati esistono come imperfezioni sottili ma diffuse nei film monostrato.

"Attraverso un approccio sinergico, siamo stati in grado di spiegare i nostri risultati sperimentali utilizzando simulazioni e scoprire il meccanismo di crescita che porta a tale microstruttura, " ha detto Alem. "Questo è un passo importante, perché imparando la fisica alla base della crescita e della formazione dei difetti, possiamo imparare a modificarli e controllarli, e questo avrà un profondo effetto sulle proprietà elettroniche del cristallo."

Migliorare il materiale porterebbe a una migliore elettronica, secondo Reifsnyder Hickey.

"Questa indagine ha scoperto sperimentalmente le strutture e ha utilizzato la teoria e la simulazione per correlare la loro formazione con le condizioni di crescita, " Reifsnyder Hickey ha detto. "Ora, vorremmo mettere in pratica quanto appreso, in modo che questi offset nei grani possano essere eliminati per formare film veramente monocristallini abbastanza grandi per un'elettronica eccellente. Vorremmo anche esplorare le proprietà di questi e dei relativi difetti atomici".

Essere in grado di produrre elettronica migliorata basata su film monostrato di disolfuro di tungsteno con difetti minimi è una buona notizia per una società sempre più visiva, secondo Reifsnyder Hickey.

"Un paio di decenni fa, era inaudito guardare un video su un telefono, "Reifsnyder Hickey ha detto. "Ma ora, consumiamo molte informazioni visivamente, soprattutto con i video, comprese le notizie, comunicazione e intrattenimento. Perché l'elettronica è diventata così potente, siamo in grado di portare facilmente nelle nostre tasche i dispositivi che consentono questo. I nostri risultati potrebbero portare a una nuova generazione di tali dispositivi".

Altri ricercatori della Penn State coinvolti nello studio includono Nadire Nayir, Michail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian e Vincent H. Crespi.