Sushi-achtige opgerolde 2D-heterostructuren kunnen leiden tot nieuwe geminiaturiseerde elektronica

De recente synthese van eendimensionale van der Waals heterostructuren, een soort heterostructuur gemaakt door tweedimensionale materialen met een dikte van één atoom, kan leiden tot nieuwe, geminiaturiseerde elektronica die momenteel niet mogelijk is, aldus een team van Penn State en Onderzoekers van de Universiteit van Tokio.

Ingenieurs produceren gewoonlijk heterostructuren om nieuwe apparaateigenschappen te verkrijgen die niet in één materiaal beschikbaar zijn. Een van der Waals heterostructuur is er een van 2D-materialen die als legoblokken of een sandwich direct op elkaar worden gestapeld. De van der Waals-kracht, een aantrekkingskracht tussen ongeladen moleculen of atomen, houdt de materialen bij elkaar.

Volgens Slava V. Rotkin, hoogleraar Engineering Science and Mechanics aan Penn State Frontier, is de eendimensionale van der Waals-heterostructuur die door de onderzoekers wordt geproduceerd anders dan de van der Waals-heterostructuren die ingenieurs tot nu toe hebben geproduceerd.

“Het ziet eruit als een stapel 2D-gelaagde materialen die in een perfecte cilinder zijn opgerold,” zei Rotkin. “Met andere woorden, als je een boterham oprolt, bewaar je al het goede erin waar het hoort en beweegt het niet rond, maar in dit geval maak je er ook een dunne cilinder van, heel compact als een hotdog of een lange sushirol. Op deze manier komen de 2D-materialen nog steeds met elkaar in contact in een gewenste verticale heterostructuurvolgorde, terwijl je je geen zorgen hoeft te maken over hun zijranden, allemaal opgerold, wat een groot probleem is voor het maken van superkleine apparaten. “

Het onderzoek van het team, gepubliceerd in ACS Nano, suggereert dat alle 2D-materialen in deze eendimensionale heterostructuurcilinders, bekend als hetero-nanobuisjes, kunnen worden gerold. De onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben onlangs elektroden op een hetero-nanobuisje gefabriceerd en aangetoond dat deze ondanks zijn grootte als een extreem kleine diode met hoge prestaties kan werken.

“Diodes zijn een belangrijk type apparaat dat wordt gebruikt in de opto-elektronica – ze bevinden zich in de kern van fotodetectoren, zonnecellen, lichtgevende apparaten, enz.”, Zei Rotkin. “In de elektronica worden diodes gebruikt in verschillende gespecialiseerde circuits; hoewel het belangrijkste element van elektronica een transistor is, kunnen twee diodes, die rug aan rug zijn verbonden, ook als schakelaar dienen.”

Dit opent een potentiële nieuwe klasse van materialen voor geminiaturiseerde elektronica.

“Het brengt apparaattechnologie van 2D-materialen naar een nieuw niveau, wat mogelijk een nieuwe generatie van zowel elektronische als opto-elektronische apparaten mogelijk maakt”, aldus Rotkin.

De bijdrage van Rotkin aan het project was het oplossen van een bijzonder uitdagende taak, die ervoor zorgde dat ze in staat waren om de eendimensionale van der Waals heterostructuurcilinder alle vereiste materiaallagen te laten hebben.

“ Door opnieuw de sandwich-analogie te gebruiken, moesten we weten of we een schaal van ‘rosbief’ hadden over de hele lengte van een cilindrische sandwich of dat er regio’s waren waar we alleen ‘brood’ en ‘sla’-schalen hebben,’ ‘zei Rotkin . “Het ontbreken van een middelste isolatielaag zou betekenen dat we faalden in de apparaatsynthese. Mijn methode toonde expliciet aan dat de middelste schalen er allemaal waren over de hele lengte van het apparaat.”

In normale, platte van der Waals-heterostructuren kan het bestaan ​​of de afwezigheid van sommige lagen gemakkelijk worden bevestigd omdat ze plat zijn en een groot oppervlak hebben. Dit betekent dat een onderzoeker verschillende type microscopieën kan gebruiken om veel signaal uit de grote, vlakke gebieden te verzamelen, zodat ze goed zichtbaar zijn. Wanneer onderzoekers ze oprollen, zoals in het geval van een eendimensionale van der Waals heterostructuur, wordt het een heel dunne draadachtige cilinder die moeilijk te karakteriseren is omdat hij weinig signaal afgeeft en praktisch onzichtbaar wordt. Om het bestaan ​​van een isolatielaag in de halfgeleider-isolator-halfgeleiderovergang van de diode te bewijzen, moet men bovendien niet alleen de buitenste schil van de hetero-nanobuis oplossen, maar de middelste, die volledig wordt overschaduwd door de buitenste schalen van een molybdeensulfide halfgeleider.

Om dit op te lossen, gebruikte Rotkin een scattering Scanning Near Field Optical Microscope die deel uitmaakt van het 2D Crystal Consortium van het Material Research Institute, dat objecten op nanoschaal kan “zien” en de optische eigenschappen van hun materialen kan bepalen. Hij ontwikkelde ook een speciale analysemethode van de gegevens die bekend staat als hyperspectrale optische beeldvorming met nanometerresolutie, die verschillende materialen kan onderscheiden en zo de structuur van de eendimensionale diode over de hele lengte kan testen.

Volgens Rotkin is dit de eerste demonstratie van optische resolutie van een hexagonaal boornitride (hBN) omhulsel als onderdeel van een hetero-nanobuisje. Veel grotere zuivere hBN-nanobuisjes, bestaande uit vele omhulsels van hBN zonder andere materiaalsoorten, werden in het verleden bestudeerd met een vergelijkbare microscoop.

“De beeldvorming van die materialen is echter heel anders dan wat ik eerder heb gedaan”, zei Rotkin. “Het gunstige resultaat is dat we aantonen dat we in staat zijn om het optische spectrum van het object te meten, dat een binnenschil is van een draad die slechts twee nanometer dik is. Het is vergelijkbaar met het verschil tussen een houten blok kunnen zien en door de potloodwanden heen een grafietstok in het potlood kunnen herkennen. “

Rotkin is van plan zijn onderzoek uit te breiden om hyperspectrale beeldvorming uit te breiden om andere materialen, zoals glas, verschillende 2D-materialen en eiwitbuisjes en virussen, beter op te lossen.

“Het is een nieuwe techniek die hopelijk zal leiden tot toekomstige ontdekkingen”, zei Rotkin.