Vista esquemática en sección transversal de la capa atómica de disulfuro de molibdeno en contacto con grafeno, y encapsulado entre capas de nitruro de boro hexagonal aislante. Crédito:Gwan-Hyoung Lee / Columbia Engineering
En 2013 James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, y sus colegas de Columbia demostraron que podían mejorar drásticamente el rendimiento del grafeno, carbono bidimensional (2D) altamente conductor, encapsulándolo en nitruro de boro (BN), un material aislante con una estructura en capas similar.
En el trabajo publicado esta semana en la Publicación avanzada en línea sobre Nanotecnología de la naturaleza sitio web, investigadores de Columbia Engineering, Harvard, Cornell, Universidad de Minnesota, Universidad de Yonsei en Corea, Universidad Técnica Danesa, y el Instituto Nacional Japonés de Ciencia de Materiales han demostrado que el rendimiento de otro material 2D, el disulfuro de molibdeno (MoS 2 ):Se puede mejorar de manera similar mediante la encapsulación BN.
"Estos hallazgos proporcionan una demostración de cómo estudiar todos los materiales 2D, "dice Hone, líder de este nuevo estudio y director del Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales financiado por la NSF de Columbia. "Nuestra combinación de electrodos de BN y grafeno es como un 'enchufe' en el que podemos colocar muchos otros materiales y estudiarlos en un entorno extremadamente limpio para comprender sus verdaderas propiedades y potencial. Esto es muy prometedor para una amplia gama de aplicaciones, incluida la alta -electrónica de rendimiento, detección y emisión de luz, y química / biodetección ".
Los materiales bidimensionales (2D) creados al "pelar" capas atómicamente delgadas de cristales a granel son extremadamente estirables, ópticamente transparente, y se pueden combinar entre sí y con la electrónica convencional de formas completamente nuevas. Pero estos materiales, en los que todos los átomos están en la superficie, son por naturaleza extremadamente sensibles a su entorno, y su rendimiento a menudo está muy por debajo de los límites teóricos debido a la contaminación y las cargas atrapadas en las capas aislantes circundantes. El grafeno encapsulado en BN que produjo el grupo de Hone el año pasado tiene una movilidad electrónica 50 veces superior, una medida importante del rendimiento electrónico, y un desorden menor que permite el estudio de nuevos fenómenos ricos a baja temperatura y campos magnéticos altos.
"Queríamos ver qué podíamos hacer con MoS 2 —Es el semiconductor 2D mejor estudiado, y, a diferencia del grafeno, puede formar un transistor que se puede apagar completamente, una propiedad crucial para los circuitos digitales, "señala Gwan-Hyoung Lee, coautor principal del artículo y profesor asistente de ciencia de materiales en Yonsei. En el pasado, Los dispositivos MoS2 fabricados en sustratos aislantes comunes, como el dióxido de silicio, han mostrado una movilidad que cae por debajo de las predicciones teóricas. varía de una muestra a otra, y permanece bajo al enfriarse a bajas temperaturas, todos los indicios de un material desordenado. Los investigadores no han sabido si el trastorno se debió al sustrato, como en el caso del grafeno, o debido a imperfecciones en el propio material.
En el nuevo trabajo El equipo de Hone creó heteroestructuras, o pilas en capas, de MoS 2 encapsulado en BN, con pequeñas escamas de grafeno que se superponen al borde del MoS 2 para actuar como contactos eléctricos. Descubrieron que la movilidad a temperatura ambiente se mejoró en un factor de aproximadamente 2, acercándose al límite intrínseco. Al enfriarse a baja temperatura, la movilidad aumentó dramáticamente, alcanzando valores 5-50 × que los medidos previamente (dependiendo del número de capas atómicas). Como signo más de un trastorno leve, estas muestras de alta movilidad también mostraron fuertes oscilaciones en la resistencia con el campo magnético, que no se había visto anteriormente en ningún semiconductor 2D.
"Esta nueva estructura de dispositivo nos permite estudiar el comportamiento del transporte cuántico en este material a baja temperatura por primera vez, "agregó el estudiante de doctorado en Ingeniería de Columbia, Xu Cui, el primer autor del artículo.
Al analizar la resistencia a bajas temperaturas y las oscilaciones cuánticas, el equipo pudo concluir que la principal fuente de desorden sigue siendo la contaminación en las interfaces, indicando que son posibles más mejoras.
"Este trabajo nos motiva a seguir mejorando nuestras técnicas de ensamblaje de dispositivos, dado que aún no hemos alcanzado el límite intrínseco de este material, "Dice Hone." Con un mayor progreso, Esperamos establecer los semiconductores 2D como una nueva familia de materiales electrónicos que compita con el rendimiento de las heteroestructuras de semiconductores convencionales, pero que se crean utilizando cinta adhesiva en una mesa de laboratorio en lugar de costosos sistemas de alto vacío ".
