I materiali bidimensionali (2D) a conduzione elettronica sono attualmente temi caldi di ricerca sia in fisica che in chimica grazie alle loro proprietà uniche che hanno il potenziale di aprire nuove strade nella scienza e nella tecnologia. Inoltre, la combinazione di diversi materiali 2D, chiamati eterostrutture, espande la diversità delle loro proprietà elettriche, fotochimiche e magnetiche. Ciò può portare a dispositivi elettronici innovativi non realizzabili con un solo materiale.
Le eterostrutture possono essere fabbricate in due modi:verticalmente, con i materiali impilati uno sopra l'altro, o lateralmente, dove i materiali sono impilati fianco a fianco sullo stesso piano. Le disposizioni laterali offrono un vantaggio speciale, confinando i portatori di carica su un unico piano e aprendo la strada a eccezionali dispositivi elettronici "nel piano". Tuttavia, la costruzione delle giunzioni laterali è impegnativa.
A questo proposito, i materiali conduttori 2D realizzati con materiali organici, chiamati "nanofogli di coordinazione", sono promettenti. Possono essere creati combinando metalli e ligandi, da quelli con proprietà metalliche come il grafene e proprietà semiconduttrici come i dichalcogenuri di metalli di transizione a quelli che possiedono proprietà isolanti come il nitruro di boro.
Questi nanofogli consentono un metodo unico chiamato transmetallazione. Ciò consente la sintesi di eterostrutture laterali con "eterogiunzioni", che non possono essere ottenute tramite reazione diretta. Le eterogiunzioni sono interfacce tra due materiali che hanno proprietà elettroniche distinte e quindi possono fungere da dispositivi elettronici.
Inoltre, utilizzando eterogiunzioni di nanofogli coordinati, è possibile creare nuove proprietà elettroniche difficili da ottenere con i materiali 2D convenzionali. Nonostante questi vantaggi, la ricerca sulla transmetallazione come metodo per fabbricare eterostrutture è ancora limitata.
Per colmare questa lacuna di conoscenze, un team di ricercatori giapponesi, guidato dal professor Hiroshi Nishihara dell'Istituto di ricerca per la scienza e la tecnologia dell'Università delle scienze di Tokyo (TUS), in Giappone, ha utilizzato la transmetallazione sequenziale per sintetizzare eterogiunzioni laterali di Zn3 Nanofogli di coordinazione BHT.
Il team comprendeva il dottor Choon Meng Tan, il professore assistente Naoya Fukui, il professore assistente Kenji Takada e il professore assistente Hiroaki Maeda, anche loro del TUS. Lo studio, uno sforzo di ricerca congiunto di TUS, Università di Cambridge, National Institute for Materials Science (NIMS), Kyoto Institute of Technology e Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), è stato pubblicato sulla rivista Angewandte Edizione Internazionale Chemie il 5 gennaio 2024.
Il team ha prima fabbricato e caratterizzato lo Zn3 Nanofoglio di coordinazione BHT. Successivamente, hanno studiato la transmetallazione di Zn3 BHT con rame e ferro. Il Prof. Nishihara spiega:"Tramite l'immersione sequenziale e spazialmente limitata del nanofoglio in soluzioni acquose di rame e ioni di ferro in condizioni blande, abbiamo facilmente fabbricato eterostrutture con eterogiunzioni nel piano di nanofogli di ferro e rame transmetallati."
Questo metodo è un processo di soluzione a temperatura ambiente e pressione atmosferica, dalla fabbricazione di nanofogli coordinati alla fabbricazione di eterogiunzioni nel piano. Questo processo è completamente diverso dal processo di lavorazione in fase gassosa, sotto vuoto, ad alta temperatura utilizzato nella tecnologia di litografia per i semiconduttori di silicio.
È un processo semplice ed economico che non richiede attrezzature di grandi dimensioni. La sfida è come creare film sottili altamente cristallini e privi di impurità. Se saranno disponibili camere bianche e reagenti altamente purificati, si potranno presto realizzare tecniche di produzione commercialmente valide.
La risultante eterogiunzione senza soluzione di continuità ottenuta dai ricercatori ha dimostrato un comportamento di rettifica comune nei circuiti elettronici. Testare le caratteristiche del diodo ha rivelato la versatilità dello Zn3 Nanofoglio di coordinazione BHT. Queste caratteristiche possono essere modificate facilmente senza alcuna attrezzatura speciale. Inoltre, questo materiale consente anche la fabbricazione di un circuito integrato da un solo foglio di coordinamento, senza alcun patchwork di materiali diversi.
Il Prof. Nishihara afferma:"Gli elementi rettificanti ultrasottili (spessore nanometrico) ottenuti dal nostro metodo saranno molto utili per la fabbricazione di circuiti integrati su scala ultra-larga. Allo stesso tempo, le proprietà fisiche uniche dei film a strati monoatomici con eterogiunzioni nel piano possono portare allo sviluppo di nuovi elementi."
Inoltre, utilizzando questa reazione di transmetallazione, è possibile creare giunzioni con varie proprietà elettroniche, come giunzioni p–n, MIM (metallo-isolante-metallo) e MIS (metallo-isolante-semiconduttore). La capacità di unire isolanti topologici a strato singolo consentirà inoltre di realizzare nuovi dispositivi elettronici come divisori di elettroni e dispositivi multilivello che sono stati previsti solo teoricamente.
Nel complesso, questo studio presenta una tecnica semplice ma potente per creare eterostrutture laterali, segnando un passo significativo nella ricerca sui materiali 2D.
Ulteriori informazioni: Choon Meng Tan et al, Raddrizzatore di giunzione eterometallica laterale fabbricato mediante transmetallazione sequenziale di nanosheet di coordinazione, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202318181
Fornito dall'Università delle Scienze di Tokyo
