En ny metalbyttemetode til at skabe laterale heterostrukturer af 2D-materialer

Elektronisk ledende todimensionelle (2D) materialer er i øjeblikket varme forskningsemner inden for både fysik og kemi på grund af deres unikke egenskaber, der har potentialet til at åbne nye veje inden for videnskab og teknologi. Desuden udvider kombinationen af ​​forskellige 2D-materialer, kaldet heterostrukturer, mangfoldigheden af ​​deres elektriske, fotokemiske og magnetiske egenskaber. Dette kan føre til innovative elektroniske enheder, der ikke kan opnås med et enkelt materiale alene.

Heterostrukturer kan fremstilles på to måder:lodret, med materialer stablet oven på hinanden, eller lateralt, hvor materialer er stablet side om side i samme plan. Laterale arrangementer giver en særlig fordel, idet de begrænser ladningsbærere til et enkelt plan og baner vejen for exceptionelle "in-plane" elektroniske enheder. Konstruktionen af ​​sidekryds er dog udfordrende.

I denne henseende er det lovende at udføre 2D-materialer lavet ved hjælp af organiske materialer, kaldet "koordinationsnanoark". De kan skabes ved at kombinere metaller og ligander, lige fra dem med metalliske egenskaber såsom grafen og halvledende egenskaber såsom overgangsmetal dichalcogenider til dem, der har isolerende egenskaber såsom bornitrid.

Disse nanoplader muliggør en unik metode kaldet transmetallering. Dette tillader syntesen af ​​laterale heterostrukturer med "heterojunctions", som ikke kan opnås gennem direkte reaktion. Heterojunctions er grænseflader mellem to materialer, der har forskellige elektroniske egenskaber og derfor kan tjene som elektroniske enheder.

Ved at bruge heterojunctions af koordinerede nanosheets kan der ydermere skabes nye elektroniske egenskaber, som har været svære at opnå med konventionelle 2D-materialer. På trods af disse fordele er forskningen i transmetallering som en metode til fremstilling af heterostrukturer stadig begrænset.

For at løse dette vidensgab brugte et team af forskere fra Japan, ledet af professor Hiroshi Nishihara fra Research Institute for Science and Technology ved Tokyo University of Science (TUS), Japan, sekventiel transmetallering til at syntetisere laterale heterojunctions af Zn₃ BHT koordination nanoark.

Holdet omfattede Dr. Choon Meng Tan, adjunkt Naoya Fukui, adjunkt Kenji Takada og adjunkt Hiroaki Maeda, også fra TUS. Undersøgelsen, en fælles forskningsindsats af TUS, University of Cambridge, National Institute for Materials Science (NIMS), Kyoto Institute of Technology og Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), blev offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition den 5. januar 2024.

Holdet fremstillede og karakteriserede først Zn₃ BHT koordination nanoark. Dernæst undersøgte de transmetalleringen af ​​Zn₃ BHT med kobber og jern. Prof. Nishihara forklarer, "Via sekventiel og rumligt begrænset nedsænkning af nanopladen i vandige kobber- og jernionopløsninger under milde forhold, fremstillede vi let heterostrukturer med in-plane heterojunctions af transmetalleret jern og kobber nanoplader."

Denne metode er en løsningsproces ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk, fra fremstilling af koordinerede nanoark til fremstilling af in-plane heterojunctions. Denne proces er fuldstændig forskellig fra højtemperatur-, vakuum-, gasfasebehandlingsprocessen, der bruges i litografiteknologi til siliciumhalvledere.

Det er en enkel og billig proces, der ikke kræver stort udstyr. Udfordringen er, hvordan man skaber højkrystallinske tynde film, der er fri for urenheder. Hvis rene rum og højt oprensede reagenser er tilgængelige, vil der snart blive opnået kommercielt levedygtige fremstillingsteknikker.

Den resulterende sømløse heterojunction opnået af forskerne demonstrerede korrigerende adfærd, der er almindelig i elektroniske kredsløb. Test af diodens egenskaber afslørede alsidigheden af ​​Zn₃ BHT koordination nanoark. Disse egenskaber kan nemt ændres uden noget særligt udstyr. Desuden muliggør dette materiale også fremstillingen af ​​et integreret kredsløb ud fra kun et enkelt koordinationsark, uden nogen form for patchworking fra forskellige materialer.

Prof. Nishihara udtaler:"Ultrathine (nanometertykke) ensretterelementer opnået fra vores metode vil være ganske nyttige til fremstilling af integrerede kredsløb i ultra-stor skala. Samtidig kan de unikke fysiske egenskaber ved monoatomiske lagfilm med in-plane heterojunctions føre til udvikling af nye elementer."

Ved at bruge denne transmetalleringsreaktion er det endvidere muligt at skabe forbindelser med forskellige elektroniske egenskaber, såsom p-n, MIM (metal-isolator-metal) og MIS (metal-isolator-halvleder) forbindelser. Evnen til at binde enkeltlags topologiske isolatorer vil også muliggøre nye elektroniske enheder såsom elektronsplittere og multilevel-enheder, der kun er blevet teoretisk forudsagt.

Samlet set præsenterer denne undersøgelse en enkel, men kraftfuld teknik til fremstilling af laterale heterostrukturer, hvilket markerer et væsentligt skridt i 2D-materialeforskning.

Flere oplysninger: Choon Meng Tan et al., Lateral Heterometal Junction Rectifier Fabricated by Sequential Transmetallation of Coordination Nanosheet, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202318181

Leveret af Tokyo University of Science