L'equivalente nanoscopico di impilare un mazzo di carte - stratificare materiali spessi pochi atomi l'uno sull'altro - è emerso come il passatempo preferito degli scienziati dei materiali e degli ingegneri elettrici di tutto il mondo.

Proprio come le carte possono differire per seme e valore, anche le proprietà di quei materiali 2D atomicamente sottili possono variare:elettronicamente, magneticamente, otticamente o in molti altri modi. E proprio come combinare le carte giuste può produrre mani preziose, le giuste combinazioni di materiali 2D possono produrre risultati tecnologicamente preziosi.

Alexei Gruverman, Alex Sinitskii e colleghi dell'Università del Nebraska-Lincoln hanno ora dimostrato che un particolare materiale 2D, già considerato una figura, si classifica effettivamente come un asso nella manica.

Quel materiale è disolfuro di molibdeno, o MoS₂ . Insieme a partner provenienti da Lussemburgo, Cina e Francia, i ricercatori Husker hanno dimostrato che MoS₂ possiede una proprietà a lungo teorizzata che potrebbe aiutare computer, telefoni e altra microelettronica a risparmiare energia e il loro esatto stato elettrico, anche dopo essere stati spenti.

MoS₂ La promessa di risparmio energetico e statale viene per gentile concessione di una proprietà preziosa ma non comune nota come ferroelettricità. La separazione verticale e la disposizione delle cariche negative rispetto a quelle positive nei materiali ferroelettrici possono essere capovolte istantaneamente semplicemente applicando una certa tensione. Gli stati opposti o polarizzati possono essere letti o memorizzati come 1 e 0 di dati binari, con gli stati che rimangono anche quando una fonte di alimentazione è stata interrotta.

Il vantaggio di impostarlo e dimenticarlo è aggravato dal fatto che la tensione può invertire la polarizzazione e codificare un rispettivo 1 o 0, assorbendo molta meno energia rispetto ai campi magnetici spesso utilizzati per codificare i dati digitali. Nel complesso, questi vantaggi hanno posizionato i materiali ferroelettrici come un attore di primo piano in un futuro ancora più dipendente dalla microelettronica.

Le simulazioni supportate dalla teoria avevano suggerito che MoS₂ era proprio un tale materiale. Come con altri materiali 2D, tuttavia, dimostrare che si era rivelato diabolicamente difficile. Ma spingendo scaglie di bisolfuro di molibdeno con un ago nanoscopico che eccitava simultaneamente il materiale con un campo elettrico, il team guidato da Husker è riuscito a confermare che MoS₂ è, infatti, ferroelettrico. Gli stati polarizzati del materiale si sono mantenuti fino a settimane alla volta, hanno detto i ricercatori, e sono stati osservati con il MoS₂ fiocchi che si trovano sopra uno qualsiasi di molti altri materiali.

"La ferroelettricità nei materiali bidimensionali è, in generale, un fenomeno nuovo", ha affermato Sinitskii, professore di chimica al Nebraska. "È stato scoperto abbastanza di recente e gli esempi di sistemi bidimensionali che mostrano una polarizzazione ferroelettrica sono ancora molto limitati."

La sola ferroelettricità, quindi, sarebbe sufficiente per scalare le classifiche dei materiali 2D al bisolfuro di molibdeno. Eppure MoS₂ presenta altre proprietà che si rivolgono agli ingegneri incaricati di costruire dispositivi migliori. È relativamente facile da coltivare, prima alla rinfusa, poi staccando strati atomicamente sottili con l'aiuto dello scotch. A differenza di molte delle sue controparti 2D, regge se esposto all'aria e gioca bene con i materiali ricchi di ossigeno che si trovano in molti componenti elettronici.

Oltre a tutto ciò, è un materiale semiconduttore nella vena del silicio, la scelta di lunga data per i circuiti integrati o microchip, il che significa che il suo flusso di corrente elettrica può essere attivato e interrotto con il minimo sforzo. Ciò imposta MoS₂ a parte la maggior parte dei ferroelettrici, ha detto Gruverman.

Sulla scia dello studio del team, apparso sulla rivista npj 2D Materials and Applications , MoS₂ ora si unisce solo a una manciata di materiali che vantano conduttività elevata ma controllabile e polarizzazione facilmente commutabile, hanno affermato i ricercatori.

"C'è sempre stato questo sforzo per combinare proprietà semiconduttive e ferroelettriche in un materiale, perché ciò lo renderebbe un materiale molto potente - un Santo Graal, se vuoi - per l'industria dei semiconduttori", ha affermato Gruverman, professore di fisica e fisica della Charles Mach University astronomia.

"La struttura che abbiamo osservato era chiaramente senza precedenti"

Gli atomi di un materiale possono assumere diverse configurazioni che generano proprietà diverse. L'esempio più famoso del fenomeno potrebbe essere il carbonio, che può variare da un morbido pezzo di carbone nero a un diamante trasparente quasi indistruttibile.

Il bisolfuro di molibdeno, che consiste in un atomo di molibdeno ogni due zolfo, non fa eccezione. Nel suo stato più stabile, noto come 2H, il materiale agisce come un semiconduttore ma in realtà manca di ferroelettricità. Ma stimolando il MoS₂ con un punto minuscolo ha spostato alcuni degli atomi di zolfo verso l'alto, il team ha scoperto, alterando le distanze tra quegli atomi e il molibdeno. Ciò, a sua volta, ha alterato la distribuzione delle nubi di elettroni degli atomi, trasformando infine il semiconduttore 2H in una fase ferroelettrica più conduttiva nota come 1T."

Per cambiare la polarizzazione di MoS₂ , i ricercatori hanno sfruttato il cosiddetto effetto flesso-elettrico:un cambiamento nel comportamento elettrico di un materiale quando inizia a deformarsi sotto la forza di una sollecitazione meccanica. Da più di mezzo secolo i fisici sanno che quanto più variabile è la deformazione, cioè maggiori sono le disparità nel modo in cui le varie aree di un materiale si deformeranno sotto stress, tanto più pronunciata sarà la polarizzazione elettrica. I materiali più spessi tendono a subire deformazioni abbastanza uniformi, ha affermato Gruverman, con conseguente polarizzazione e utilità limitate per la codifica di dati binari.

Un materiale 2D come MoS₂ —soprattutto uno con punte sottilissime—è una prospettiva molto diversa, che produce un'enorme disparità nelle deformazioni e, di conseguenza, un enorme effetto flesso-elettrico.

"Con materiali sottili come MoS₂ , questo effetto flesso-elettrico è molto profondo", ha affermato Gruverman. "L'importante è che questo approccio potrebbe essere utilizzato come strumento molto efficace per controllare gli stati di polarizzazione nei materiali ferroelettrici.

"Ora abbiamo dimostrato che, oltre al campo elettrico, possiamo utilizzare lo stress meccanico come metodo per controllare o ottimizzare le proprietà elettroniche di queste eterostrutture."

Il team ha anche scoperto una sorpresa che potrebbe funzionare in MoS₂ il favore di Sebbene i fiocchi fabbricati da Sinitskii e dai suoi colleghi fossero praticamente incontaminati, il team ha occasionalmente riscontrato segnali di polarizzazione sostanzialmente più deboli di quanto si aspettassero. Curioso, Sinitskii ha avuto l'idea di capovolgere i fiocchi e misurare di nuovo i segnali, sperando di ottenere informazioni sulla terza dimensione ultrasottile del materiale essenzialmente 2D.

Quando l'hanno fatto, i ricercatori hanno determinato che i fiocchi contenevano strati di polarizzazione alternati casualmente, alcuni con cariche positive in alto e cariche negative in basso, altri viceversa.

"La struttura che abbiamo osservato era chiaramente senza precedenti, perché nessuna delle strutture ferroelettriche bidimensionali che le persone osservavano prima mostrava questo tipo di disposizione dei domini ferroelettrici", ha affermato Sinitskii.

L'esistenza di quegli strati alternati casualmente implicava un'altra sorpresa. In alcuni casi, cariche con segno simile si scontrano, da positive a positive o da negative a negative, senza respingersi, come ci si aspetterebbe normalmente. Come? Il team sospetta che la conduttività particolarmente elevata di 1T" MoS₂ promuove il flusso di cariche sufficienti tra quegli strati per impedirne la repulsione. È possibile, ha detto Gruverman, che le correnti intra-strato possano essere controllate invertendo la polarizzazione del MoS₂ flakes, offrendo un altro modo iper-localizzato per codificare i dati.

"È abbastanza insolito avere questi strati di un materiale in cui la polarizzazione in uno strato non si preoccupa dello stato di polarizzazione nello strato adiacente", ha detto Gruverman. "Di solito, questo tipo di configurazione testa a testa e coda a coda sarebbe molto sfavorevole. Eppure sembra che, qui, questi strati non siano assolutamente sensibili allo stato di polarizzazione negli strati vicini."

Ma la piena promessa del bisolfuro di molibdeno potrebbe rivelarsi solo, ha detto Sinitskii, quando gli scienziati dei materiali, ora conoscendo il vero valore di MoS₂ — riuscirai a suonarlo solo nelle mani giuste.

"Questo è un argomento molto caldo in questo momento", ha detto Sinitskii. "Ci sono molte persone che stanno davvero mescolando questi diversi strati e impilandoli uno sopra l'altro. Ora hanno un altro tipo di materiale bidimensionale che potrebbe essere aggiunto a quelle pile e renderle più diversificate, più programmabili e, alla fine, più utile." + Esplora ulteriormente

I ricercatori ottengono film di bisolfuro di molibdeno atomicamente sottili su substrati di grandi dimensioni