Sushi-lignende rullede 2D-heterostrukturer kan føre til ny miniaturiseret elektronik

Den nylige syntese af endimensionelle van der Waals heterostrukturer, en type heterostruktur fremstillet af lagdeling af todimensionelle materialer, der er et atom tykke, kan føre til nye, miniaturiseret elektronik, som i øjeblikket ikke er mulig, ifølge et hold af forskere fra Penn State og University of Tokyo.

Ingeniører producerer almindeligvis heterostrukturer for at opnå nye enhedsegenskaber, der ikke er tilgængelige i et enkelt materiale. En van der Waals heterostruktur er en lavet af 2D-materialer, der er stablet direkte oven på hinanden som legoklodser eller en sandwich. van der Waals-styrken, som er en tiltrækningskraft mellem uladede molekyler eller atomer, holder materialerne sammen.

Ifølge Slava V. Rotkin, Penn State Frontier professor i ingeniørvidenskab og mekanik, den endimensionelle van der Waals heterostruktur produceret af forskerne er forskellig fra de van der Waals heterostrukturer ingeniører har produceret hidtil.

"Det ligner en stak af 2D-lagsmaterialer, der er rullet op i en perfekt cylinder, " sagde Rotkin. "Med andre ord, hvis du ruller en sandwich sammen, du opbevarer alle de gode ting i den, hvor den skal være og ikke bevæger dig rundt, men i dette tilfælde gør du det også til en tynd cylinder, meget kompakt som en hotdog eller en lang sushirulle. På denne måde 2D-materialerne kontakter stadig hinanden i en ønsket vertikal heterostruktursekvens, mens man ikke behøver at bekymre sig om deres laterale kanter, alt sammenrullet, hvilket er en stor ting for at lave supersmå enheder."

Holdets forskning, udgivet i ACS Nano , foreslår, at alle 2D-materialer kunne rulles ind i disse endimensionelle heterostrukturcylindre, kendt som hetero-nanorør. Forskere fra University of Tokyo fremstillede for nylig elektroder på et hetero-nanorør og demonstrerede, at det kan fungere som en ekstremt lille diode med høj ydeevne på trods af dens størrelse.

"Dioder er en vigtig type enhed, der bruges i optoelektronik - de er i kernen af ​​fotodetektorer, solceller, lysemitterende enheder, etc., " sagde Rotkin. "I elektronik, dioder bruges i flere specialiserede kredsløb; selvom hovedelementet i elektronik er en transistor, to dioder, forbundet ryg mod ryg, kan fungere som en kontakt, også."

Dette åbner en potentiel ny klasse af materialer til miniaturiseret elektronik.

"Det bringer enhedsteknologi af 2D-materialer til et nyt niveau, potentielt muliggør en ny generation af både elektroniske og optoelektroniske enheder, " sagde Rotkin.

Rotkins bidrag til projektet var at løse en særlig udfordrende opgave, hvilket sikrede, at de var i stand til at få den endimensionelle van der Waals heterostrukturcylinder til at have alle de nødvendige materialelag.

"Ved at bruge sandwich-analogien igen, vi havde brug for at vide, om vi havde en skal af 'roastbeef' langs hele længden af ​​en cylindrisk sandwich, eller om der var områder, hvor vi kun har 'brød' og 'salat'-skaller, " sagde Rotkin. "Fravær af et mellemisolerende lag ville betyde, at vi fejlede i enhedssyntese. Min metode viste eksplicit, at de midterste skaller var der overalt langs hele enhedens længde."

I almindelige, flade van der Waals heterostrukturer, at bekræfte eksistensen eller fraværet af nogle lag kan nemt gøres, fordi de er flade og har et stort areal. Det betyder, at en forsker kan bruge forskellige typer mikroskopier til at indsamle en masse signaler fra de store, flade områder, så de er let synlige. Når forskere ruller dem op, som i tilfældet med en endimensionel van der Waals heterostruktur, det bliver en meget tynd trådlignende cylinder, der er svær at karakterisere, fordi den afgiver lidt signal og bliver praktisk talt usynlig. Ud over, for at bevise eksistensen af ​​et isolerende lag i diodens halvleder-isolator-halvlederforbindelse, man skal løse ikke kun den ydre skal af hetero-nanorøret, men den midterste, som er fuldstændig overskygget af de ydre skaller af en molybdænsulfid-halvleder.

For at løse dette, Rotkin brugte et scattering Scanning Near-field Optical Microscope, der er en del af Material Research Institutes 2D Crystal Consortium, som kan "se" objekter af nanoskala størrelse og bestemme deres materialers optiske egenskaber. Han udviklede også en særlig metode til analyse af data kendt som hyperspektral optisk billeddannelse med nanometeropløsning, som kan skelne mellem forskellige materialer og, dermed, test strukturen af ​​den endimensionelle diode langs hele dens længde.

Ifølge Rotkin, dette er den første demonstration af optisk opløsning af en hexagonal bornitrid (hBN)-skal som en del af et hetero-nanorør. Meget større rene hBN nanorør, bestående af mange skaller af hBN uden andre typer materiale, blev tidligere undersøgt med et lignende mikroskop.

"Imidlertid, billeddannelse af disse materialer er helt anderledes end hvad jeg har gjort før, " sagde Rotkin. "Det gavnlige resultat er demonstrationen af ​​vores evne til at måle det optiske spektrum fra objektet, som er en indre skal af en ledning, der kun er to nanometer tyk. Det kan sammenlignes med forskellen mellem at kunne se en træstamme og at kunne genkende en grafitpind inde i blyanten gennem blyantvæggene."

Rotkin planlægger at udvide sin forskning for at udvide hyperspektral billeddannelse for bedre at løse andre materialer, såsom glas, forskellige 2D materialer, og proteintubuli og vira.

"Det er en ny teknik, der vil føre til, forhåbentlig, fremtidige opdagelser sker, " sagde Rotkin.