Visto bajo un microscopio óptico, las heteroestructuras tienen forma triangular. Los dos semiconductores monocapa diferentes se pueden reconocer a través de sus diferentes colores. Crédito:U de Washington
Los científicos han desarrollado lo que creen que es el semiconductor más delgado posible, una nueva clase de materiales a nanoescala hechos en láminas de solo tres átomos de espesor.
Los investigadores de la Universidad de Washington han demostrado que dos de estos materiales semiconductores de una sola capa se pueden conectar de una manera atómicamente perfecta conocida como heterounión. Este resultado podría ser la base para la informática flexible y transparente de próxima generación, mejores diodos emisores de luz, o LED, y tecnologías solares.
"Las heterouniones son elementos fundamentales de los dispositivos electrónicos y fotónicos, "dijo el autor principal Xiaodong Xu, un profesor asistente de la UW de ciencia e ingeniería de materiales y de física. "Nuestra demostración experimental de tales uniones entre materiales bidimensionales debería permitir nuevos tipos de transistores, LEDs, nanoláseres, y células solares que se desarrollarán para circuitos electrónicos y ópticos altamente integrados dentro de un solo plano atómico ".
La investigación se publicó en línea esta semana en Materiales de la naturaleza .
Los investigadores descubrieron que dos materiales semiconductores planos se pueden conectar de borde a borde con perfección cristalina. Trabajaron con dos de una sola capa, o monocapa, materiales - diselenuro de molibdeno y diselenuro de tungsteno - que tienen estructuras muy similares, que fue clave para crear el semiconductor bidimensional compuesto.
Los colaboradores del centro de microscopía electrónica de la Universidad de Warwick en Inglaterra descubrieron que todos los átomos de ambos materiales formaban una única estructura de celosía alveolar. sin distorsiones ni discontinuidades. Esto proporciona el vínculo más fuerte posible entre dos materiales de una sola capa, necesario para dispositivos flexibles. Dentro de la misma familia de materiales, es factible que los investigadores puedan unir otros pares de la misma manera.
Una imagen de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) de alta resolución muestra la estructura reticular de las heterouniones con precisión atómica. Crédito:Universidad de Warwick
Los investigadores crearon las uniones en un pequeño horno en la Universidad de Washington. Primero, Insertaron una mezcla en polvo de los dos materiales en una cámara calentada a 900 grados Celsius (1, 652 F). Luego se hizo pasar gas hidrógeno a través de la cámara y los átomos evaporados de uno de los materiales se llevaron hacia una región más fría del tubo y se depositaron como cristales de una sola capa en forma de triángulos.
Después de un tiempo, átomos evaporados del segundo material y luego unidos a los bordes del triángulo para crear una heterounión semiconductora sin fisuras.
"Esta es una técnica escalable, "dijo Sanfeng Wu, estudiante de doctorado en física de la UW y uno de los autores principales. "Debido a que los materiales tienen propiedades diferentes, se evaporan y se separan en diferentes momentos de forma automática. El segundo material se forma alrededor del primer triángulo que se formó anteriormente. Es por eso que estas celosías están tan bellamente conectadas ".
Este mapa de intensidad de fotoluminiscencia muestra una pieza típica de las heteroestructuras laterales. La región de unión produce una emisión de luz mejorada, indicando su potencial de aplicación en optoelectrónica. Crédito:U de Washington
Con un horno más grande, sería posible producir en masa láminas de estas heteroestructuras de semiconductores, dijeron los investigadores. A pequeña escala, los cristales tardan unos cinco minutos, con hasta dos horas de tiempo de calentamiento y enfriamiento.
"Estamos muy entusiasmados con las nuevas oportunidades de ciencia e ingeniería que brindan estas estructuras novedosas, "dijo el autor principal David Cobden, profesor de física de la Universidad de Washington. "En el futuro, Las combinaciones de materiales bidimensionales pueden integrarse juntas de esta manera para formar todo tipo de estructuras electrónicas interesantes, como pozos cuánticos en el plano y cables cuánticos. superredes, transistores en pleno funcionamiento, e incluso circuitos electrónicos completos ".
Los investigadores ya han demostrado que la unión interactúa con la luz con mucha más fuerza que el resto de la monocapa. lo que es alentador para aplicaciones optoeléctricas y fotónicas como las células solares.
