Los científicos de la Universidad de Rice y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) han avanzado en el objetivo de la electrónica bidimensional con un método para controlar el crecimiento de capas atómicas uniformes de disulfuro de molibdeno (MDS).

MDS, un semiconductor, es uno de una trilogía de materiales necesarios para hacer que los componentes electrónicos bidimensionales funcionen. Algún día pueden ser la base para la fabricación de dispositivos tan pequeños que serían invisibles a simple vista.

El trabajo aparece en línea esta semana en Materiales de la naturaleza .

Los laboratorios Rice del investigador principal Jun Lou, Pulickel Ajayan y Boris Yakobson, todos los profesores del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de los Materiales de la universidad, colaboró ​​con Wigner Fellow Wu Zhou y el científico Juan-Carlos Idrobo en ORNL en una iniciativa inusual que incorporó trabajo experimental y teórico.

Los objetivos eran ver si grandes, alta calidad, Se podrían cultivar láminas de MDS atómicamente delgadas en un horno de deposición química en fase de vapor (CVD) y analizar sus características. La esperanza es que MDS se pueda unir con grafeno, que no tiene banda prohibida, y nitruro de boro hexagonal (hBN), un aislante, para formar transistores de efecto de campo, circuitos lógicos integrados, fotodetectores y optoelectrónica flexible.

"Para circuitos verdaderamente atómicos, esto es importante, ", Dijo Lou." Si conseguimos que este material funcione, luego tendremos un conjunto de materiales con los que jugar para completar, dispositivos complicados ".

El año pasado, Lou y Ajayan revelaron su éxito en la creación de patrones intrincados de grafeno y hBN entrelazados, entre ellos la imagen de la mascota del búho de Rice. Pero todavía faltaba una pieza para que los materiales fueran socios de pleno derecho en aplicaciones electrónicas avanzadas. Para entonces, los investigadores ya estaban muy avanzados en su estudio de MDS como solución semiconductora.

"Los materiales bidimensionales han despegado, "Ajayan dijo." El estudio del grafeno impulsó la investigación en una gran cantidad de materiales 2-D; el disulfuro de molibdeno es solo uno de ellos. Esencialmente, intentamos abarcar toda la gama de intervalos de banda entre el grafeno, que es un semimetal, y el aislante de nitruro de boro ".

MDS es distinto del grafeno y el hBN porque no es exactamente plano. El grafeno y el hBN son planos, con arreglos de hexágonos formados por sus átomos constituyentes. Pero mientras que MDS parece hexagonal cuando se ve desde arriba, en realidad es una pila, con una capa de átomos de molibdeno entre dos capas de átomos de azufre.

Coautor Zheng Liu, un científico de investigación conjunta en los laboratorios de Lou y Ajayan, señaló que el grupo de Yakobson predijo que el MDS y los átomos de carbono se unirían. "Estamos trabajando en ello, ", dijo." Nos gustaría unir el grafeno y el MDS (con hBN) en lo que sería una novela, Componente semiconductor 2-D ".

"La pregunta ahora es cómo reunir todos los materiales 2-D, "dijo la coautora Sina Najmaei, un estudiante graduado de Rice. "Son especies muy diferentes y se cultivan en entornos muy diferentes".

Hasta hace poco, cultivar MDS en una forma utilizable ha sido difícil. Se ha probado el método de "cinta adhesiva" para extraer capas de una muestra a granel, pero los materiales resultantes eran inconsistentes, Dijo Lou. Los primeros experimentos de CVD produjeron MDS con granos que eran demasiado pequeños para ser útiles por sus propiedades eléctricas.

Pero en el proceso los investigadores notaron que "islas" de MDS tendían a formarse en el horno donde aparecían defectos o incluso pedazos de polvo en el sustrato. "El material es difícil de nuclear, a diferencia del hBN o el grafeno, ", Dijo Najmaei." Comenzamos a aprender que podíamos controlar esa nucleación agregando bordes artificiales al sustrato, y ahora está creciendo mucho mejor entre estas estructuras ".

"Ahora podemos cultivar granos de hasta 100 micrones, "Dijo Lou. Eso es solo aproximadamente el ancho de un cabello humano, pero en el ámbito de la nanoescala, es lo suficientemente grande para trabajar, él dijo.

Una vez que los equipos de Ajayan y Lou pudieron hacer crecer matrices MDS tan grandes, El equipo de ORNL tomó imágenes de las estructuras atómicas utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido con corrección de aberraciones. La matriz atómica se puede ver claramente en las imágenes y, más importante, también pueden hacerlo los defectos que alteran las propiedades electrónicas del material.

"Para mejorar las propiedades de los materiales 2-D, es importante comprender primero cómo se combinan a una escala fundamental, ", Dijo Idrobo." Nuestra instalación de microscopía en ORNL nos permite ver materiales de una manera que nunca antes se había visto, hasta el nivel de átomos individuales ".

Yakobson, un físico teórico, y su equipo se especializan en analizar la interacción de la energía a escala atómica. Con las imágenes de ORNL en la mano, no solo pudieron calcular las energías de un conjunto de defectos mucho más complejo que el que se encuentra en el grafeno o la BN, sino que también pudieron hacer coincidir sus números con las imágenes.

Entre los hallazgos interesantes del equipo de Yakobson estaba la existencia, informó el año pasado, de "alambres" subnano conductores a lo largo de los límites de grano en MDS. Según sus cálculos, el efecto solo se produjo cuando los granos se encontraron en ángulos precisos de 60 grados. Las imágenes de microscopía electrónica ORNL permiten ver estos límites de grano directamente.

Los investigadores de Rice ven muchas formas posibles de combinar los materiales, no solo en capas bidimensionales sino también como pilas tridimensionales. "Los cristales naturales están hechos de estructuras unidas por la fuerza de van der Waals, pero todos tienen la misma composición, "Dijo Lou." Ahora tenemos la oportunidad de construir cristales tridimensionales con diferentes composiciones ".

"Estos son materiales muy diferentes, con diferentes propiedades electrónicas y banda prohibida. Poner uno encima del otro nos daría un nuevo tipo de material que llamamos sólidos de van der Waals, "Ajayan dijo." Podríamos juntarlos en cualquier orden de apilamiento que necesitemos, lo que sería un nuevo enfoque interesante en la ciencia de los materiales.