Et molekyle tykt materiale har store fordele:Forskere producerer komplekse kredsløb fra molybdændisulfid

Opdagelsen af ​​grafen, et materiale, der kun er et atom tykt og besidder enestående styrke og andre nye egenskaber, startede en lavine af forskning omkring dets anvendelse til alt fra elektronik til optik til strukturelle materialer. Men ny forskning tyder på, at det kun var begyndelsen:En hel familie af todimensionelle materialer kan åbne op for endnu bredere muligheder for anvendelser, der kan ændre mange aspekter af det moderne liv.

Det seneste "nye" materiale, molybdændisulfid (MoS ₂ ) - som faktisk har været brugt i årtier, men ikke i sin 2-D form - blev først beskrevet for blot et år siden af ​​forskere i Schweiz. Men i det år, forskere ved MIT - som i flere år kæmpede for at bygge elektroniske kredsløb af grafen med meget begrænsede resultater (bortset fra radiofrekvensapplikationer) - er allerede lykkedes med at lave en række elektroniske komponenter fra MoS ₂ . De siger, at materialet kan hjælpe med at indvarsle radikalt nye produkter, fra hele vægge, der lyser til tøj med indbygget elektronik til briller med indbyggede displayskærme.

En rapport om produktionen af ​​komplekse elektroniske kredsløb fra det nye materiale blev offentliggjort online i denne måned i tidsskriftet Nano bogstaver ; papiret er forfattet af Han Wang og Lili Yu, kandidatstuderende ved Institut for Elektroteknik og Datalogi (EECS); Tomás Palacios, Emmanuel E. Landsman lektor i EECS; og andre på MIT og andre steder.

Palacios siger, at han tænker grafen og MoS ₂ er kun begyndelsen på et nyt område af forskning i todimensionelle materialer. "Det er den mest spændende tid for elektronik i de sidste 20 eller 30 år, " siger han. "Det åbner døren til et helt nyt domæne af elektroniske materialer og enheder."

Ligesom grafen, i sig selv en 2-D form for grafit, molybdændisulfid har været brugt i mange år som et industrielt smøremiddel. Men det var aldrig blevet set som en 2-D platform for elektroniske enheder indtil sidste år, da videnskabsmænd ved det schweiziske universitet EPFL producerede en transistor på materialet.

MIT-forskere gik hurtigt i gang:Yi-Hsien Lee, en postdoc i lektor Jing Kongs gruppe i EECS, fundet en god måde at lave store plader af materialet ved hjælp af en kemisk dampaflejringsproces. Lee fandt på denne metode, mens han arbejdede med Lain-Jong Li på Academia Sinica i Taiwan og forbedrede den, efter han kom til MIT. Palacios, Wang og Yu gik derefter i gang med at producere byggeklodser af elektroniske kredsløb på arkene lavet af Lee, samt på MoS ₂ flager fremstillet ved en mekanisk metode, som blev brugt til arbejdet beskrevet i det nye papir.

Wang havde kæmpet for at bygge kredsløb på grafen til sin doktorafhandling, men fandt det meget nemmere at gøre med det nye materiale. Der var en "stor flaskehals" for at gøre fremskridt med grafen, han forklarer, fordi det materiale mangler et båndgab - nøgleegenskaben, der gør det muligt at skabe transistorer, den grundlæggende komponent i logik og hukommelseskredsløb. Mens grafen skal modificeres på krævende måder for at skabe et båndgab, MoS ₂ kommer bare naturligt med en.

Manglen på et bånd, Wang forklarer, betyder, at med en kontakt lavet af grafen, "du kan tænde den, men du kan ikke slukke det. Det betyder, at du ikke kan lave digital logik." Så folk har i årevis ledt efter et materiale, der deler nogle af grafens ekstraordinære egenskaber, men har også denne manglende kvalitet - som molybdændisulfid gør.

Fordi det allerede er bredt produceret som smøremiddel, og takket være det igangværende arbejde på MIT og andre laboratorier med at lave det til store ark, at opskalere produktionen af ​​materialet til praktiske formål bør være meget lettere end med andre nye materialer, siger Wang og Palacios.

Wang og Palacios var i stand til at fremstille en række grundlæggende elektroniske enheder på materialet:en inverter, som skifter en indgangsspænding til dens modsatte; en NAND-port, et grundlæggende logisk element, der kan kombineres til at udføre næsten enhver form for logisk operation; en hukommelsesenhed, en af ​​nøglekomponenterne i alle beregningsenheder; og et mere komplekst kredsløb kaldet en ringoscillator, består af 12 indbyrdes forbundne transistorer, som kan producere et præcist afstemt bølgeoutput.

Palacios siger, at en potentiel anvendelse af det nye materiale er storskærmsskærme såsom tv-apparater og computerskærme, hvor en separat transistor styrer hver pixel på skærmen. Fordi materialet kun er et molekyle tykt - i modsætning til det højt oprensede silicium, der bruges til konventionelle transistorer og skal være millioner af atomer tykt - ville selv en meget stor skærm kun bruge en uendelig lille mængde af råmaterialerne. Dette kan potentielt reducere omkostninger og vægt og forbedre energieffektiviteten.

I fremtiden, det kunne også muliggøre helt nye slags enheder. Materialet kunne bruges, i kombination med andre 2-D materialer, at lave lysemitterende enheder. I stedet for at producere en punktlyskilde fra én pære, en hel væg kunne fås til at lyse, producerer blødere, mindre skarpt lys. Tilsvarende antennen og andre kredsløb på en mobiltelefon kan være vævet ind i stof, giver en meget mere følsom antenne, der har brug for mindre strøm og kan indarbejdes i tøj, siger Palacios.

Materialet er så tyndt, at det er helt gennemsigtigt, og det kan deponeres på stort set ethvert andet materiale. For eksempel, MoS ₂ kan påføres glas, producere skærme indbygget i et par briller eller vinduet i et hus eller kontor.

Ali Javey, en lektor i elektroteknik og datalogi ved University of California i Berkeley, som ikke var involveret i denne forskning, siger lagdelte materialer som MoS ₂ er "en lovende klasse af materialer til fremtidens elektronik, " men advarer om, at "fremtiden ser lys ud for lagdelte halvledere, men der skal stadig arbejdes for bedre at forstå deres ydeevnegrænser og storskalaproduktion."

Samlet set, Javey siger, MIT-teamets forskning er "elegant" arbejde, der "tager et vigtigt skridt fremad i at fremme feltet af lagdelte halvledere."

Ud over Palacios, Kong, Wang, Yu og Lee, arbejdet blev udført af kandidatstuderende Allen Hsu og MIT affiliate Yumeng Shi, med U.S. Army Research Laboratory-forskerne Matthew Chin og Madan Dubey, og Lain-Jong Li fra Academia Sinica i Taiwan. Arbejdet blev finansieret af U.S. Office of Naval Research, Microelectronics Advanced Research Corporation Focus Center for Materials, National Science Foundation og Army Research Laboratory.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.