En elektrisk ledning på få atomer bred

EPFL-forskere viste, at det er muligt at skabe en elektrisk kanal på få atomer i todimensionelle isoleringsmaterialer. Deres simuleringer åbner nye perspektiver for produktionen af ​​nye elektroniske og fotovoltaiske enheder.

I de uendeligt smås verden, uventede fænomener kan opstå ved grænsefladen mellem to materialer, når de er kunstigt kombineret. Ved EPFL har forskere vist, at det er muligt at generere en ledende kanal med en bredde på nogle få atomer i kontaktzonen mellem forskellige plader af isoleringsmaterialer. Dette arbejde, netop offentliggjort i Naturkommunikation , kunne gøre det muligt at skabe ikke kun nye mikro- og nanoelektroniske enheder, men også en ny slags solcelle.

Todimensionelle materialer

For at generere disse små ledende kanaler, forskere studerede todimensionelle materialer, det vil sige ark af materiale på få atomer tykke, nogle gange kun bestående af et enkelt lag atomer.

Ligesom grafen, disse materialer er sammensat af atomer arrangeret i en sekskantet struktur, svarende til de celler, der findes i bistader. Forskellen er, at mens grafen er ledende og kun består af kulstofatomer, de todimensionelle materialer, der er nævnt i undersøgelsen, er isolerende og er sammensat af forskellige elementer.

Blandt mange muligheder, forskere betragtede bornitrid (BN), som er sammensat af to slags atomer. I sin naturlige tilstand, et "ark" af bornitrid fungerer som en isolator og kan derfor ikke lede elektrisk strøm. Imidlertid, teknikken, efter en lille kemisk modifikation, giver forskere mulighed for at udvikle "ledninger" til ledende elektroner.

En protonsandwich

Fremstillingen af ​​den elektriske kanal er en to-trins operation. Det er lavet ved at fiksere en proton (dvs. et hydrogenatom) på et ark bornitrid over hvert boratom (B) og et under hvert nitrogenatom (N). Således klemt mellem brintatomerne, den "dekorerede" bornitridplade genererer en ledende kanal på få atomer bred, når den placeres i kontakt med en "urørt" plade af BN. Den nye "tråd" placeret ved grænsefladen mellem de to plader muliggør præcis kontrol af elektronernes cirkulation, når der påføres spænding. "Sat separat, det kemisk modificerede ark og det tomme ark er ikke ledende, " siger Giovanni Pizzi, medforfatter til undersøgelsen. "Det er kun ved at kombinere det ene med det andet, at kanalen dukker op."

Potentielle anvendelser forbundet med disse simuleringer er talrige. De nye ledende "ledninger" kunne især tjene til at udvikle mere kompakte og kraftfulde mikro- og nanoelektroniske enheder. "Trådene" produceret af traditionel litografi falder ikke under tyve nanometer, hvilket betyder mindst hundrede atomer, " siger Giovanni Pizzi. "Et par atomer brede, vores ledning kunne forbinde de forskellige processorer på en nanochip ved at tage langt mindre plads end nuværende ledninger."

En ny model af solcelle

Anvendelser relateret til disse små ledende kanaler kan også omfatte skabelsen af ​​en ny slags ultratynde og fleksible solceller.

Når materialet med kanaler udsættes for sollys, elektroner til stede i den isolerende del bevæger sig mod de ledende baner. "For at opnå en elektrisk strøm, så er det tilstrækkeligt blot at forbinde kanalerne, " forklarer Marco Gibertini, som også var medforfatter til undersøgelsen.

Mod eksperimentelle tests

EPFL-forskere håber nu, at deres simuleringsarbejde tiltrækker opmærksomhed fra specialister på det eksperimentelle område for at udføre tests i virkelige omgivelser. "I vores undersøgelse giver vi en simpel beregning, som forskere kan udføre for at se, om et givet materiale, efter kemisk modifikation, vil danne disse små ledninger, " siger Marco Gibertini. "Vores idé bygger på tidligere resultater om 3D-materialer. Vi har også bevidst undersøgt eksisterende eksperimentelle materialer og teknikker. Dette skulle lette eksperimentelle tests, " tilføjer han.