Semiconductores, los metales y los aislantes deben estar integrados para hacer los transistores que son los componentes electrónicos de su teléfono inteligente, computadora y otros dispositivos habilitados para microchip. Los transistores actuales son minúsculos (apenas 10 nanómetros de ancho) y están formados a partir de cristales tridimensionales (3D).

Pero se avecina una nueva tecnología disruptiva que utiliza cristales bidimensionales (2D), solo 1 nanómetro de espesor, para habilitar la electrónica ultradelgada. Científicos de todo el mundo están investigando cristales 2D hechos de materiales en capas comunes para restringir el transporte de electrones en solo dos dimensiones. Los investigadores habían encontrado previamente formas de modelar litográficamente capas individuales de átomos de carbono llamados grafeno en "alambres" en forma de cinta con aislamiento provisto por una capa similar de nitruro de boro. Pero hasta ahora han carecido de métodos de síntesis y procesamiento para modelar litográficamente las uniones entre dos semiconductores diferentes dentro de una sola capa de un nanómetro de espesor para formar transistores. los componentes básicos de los dispositivos electrónicos ultradelgados.

Ahora por primera vez Los investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía han combinado un proceso de síntesis novedoso con técnicas comerciales de litografía por haz de electrones para producir matrices de uniones de semiconductores en patrones arbitrarios dentro de una sola, cristal semiconductor de nanómetro de espesor. El proceso se basa en la transformación de regiones con patrones de una existente, cristal de una sola capa en otro. Los investigadores primero crecieron solteros, capas nanométricas de cristales de diselenuro de molibdeno sobre sustratos y luego depositaron patrones protectores de óxido de silicio utilizando técnicas de litografía estándar. Luego bombardearon las regiones expuestas de los cristales con un rayo de átomos de azufre generado por láser. Los átomos de azufre reemplazaron a los de selenio en los cristales para formar disulfuro de molibdeno, que tiene una estructura cristalina casi idéntica. Los dos cristales semiconductores formaron uniones afiladas, los bloques de construcción deseados de la electrónica. Comunicaciones de la naturaleza informa el logro.

"Literalmente, podemos hacer cualquier tipo de patrón que queramos, "dijo Masoud Mahjouri-Samani, quien codirigió el estudio con David Geohegan. Geohegan, jefe del Grupo de Ensamblaje Funcional y Síntesis de Nanomateriales de ORNL en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, es el investigador principal de un proyecto de ciencias básicas del Departamento de Energía que se centra en los mecanismos de crecimiento y la síntesis controlada de nanomateriales. Se pueden crear simultáneamente millones de bloques de construcción 2D con numerosos patrones, Añadió Mahjouri-Samani. En el futuro, podría ser posible producir diferentes patrones en la parte superior e inferior de una hoja. Podría introducirse una mayor complejidad colocando capas de hojas con diferentes patrones.

Agregó Geohegan, "El desarrollo de un El proceso de fácil implementación para modelar litográficamente y formar fácilmente heterouniones semiconductoras laterales dentro de cristales bidimensionales satisface una necesidad crítica de 'bloques de construcción' para habilitar dispositivos ultradelgados de próxima generación para aplicaciones que van desde la electrónica de consumo flexible hasta la energía solar ".

Sintonizando la banda prohibida

"Elegimos la deposición de azufre con láser pulsado debido al control digital que le brinda sobre el flujo del material que llega a la superficie, ", dijo Mahjouri-Samani." Básicamente se puede hacer cualquier tipo de aleación intermedia. Puedes simplemente reemplazar decir, 20 por ciento del selenio con azufre, o 30 por ciento, o el 50 por ciento ". Agregó Geohegan, "La deposición de láser pulsado también permite sintonizar la energía cinética de los átomos de azufre, permitiéndole explorar una gama más amplia de condiciones de procesamiento ".

Es importante que al controlar la proporción de azufre a selenio dentro del cristal, los investigadores pueden ajustar la banda prohibida de los semiconductores, un atributo que determina las propiedades electrónicas y ópticas. Para fabricar dispositivos optoelectrónicos como pantallas electroluminiscentes, Los fabricantes de microchips integran semiconductores con diferentes bandgaps. Por ejemplo, La banda prohibida del disulfuro de molibdeno es mayor que la del diselenuro de molibdeno. La aplicación de voltaje a un cristal que contiene ambos semiconductores hace que los electrones y "huecos" (cargas positivas creadas cuando los electrones se vacían) se muevan del disulfuro de molibdeno al diselenuro de molibdeno y se recombinen para emitir luz en la banda prohibida del diselenuro de molibdeno. Por esta razón, La ingeniería de las bandas prohibidas de los sistemas monocapa puede permitir la generación de luz con muchos colores diferentes, así como habilitar otras aplicaciones como transistores y sensores, Mahjouri-Samani dijo.

A continuación, los investigadores verán si su método de conversión y vaporización por láser pulsado funcionará con átomos distintos del azufre y el selenio. "Estamos intentando crear sistemas más complejos en un plano 2D:integrar más ingredientes, poner diferentes bloques de construcción, porque al final del día, un dispositivo de trabajo completo necesita diferentes semiconductores y metales y aislantes, "Mahjouri-Samani dijo.

Para comprender el proceso de conversión de un cristal de nanómetros de espesor en otro, los investigadores utilizaron potentes capacidades de microscopía electrónica disponibles en ORNL, especialmente microscopía electrónica de transmisión de barrido de contraste Z de resolución atómica, que se desarrolló en el laboratorio y ahora está disponible para los científicos de todo el mundo que utilizan el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos. Empleando esta técnica, los microscopistas electrónicos Andrew Lupini y el científico visitante Leonardo Basile tomaron imágenes de redes hexagonales de columnas individuales de átomos en los cristales de diselenuro de molibdeno y disulfuro de molibdeno de nanómetros de espesor.

"Podríamos distinguir directamente entre los átomos de azufre y selenio por sus intensidades en la imagen, ", Dijo Lupini." Estas imágenes y la espectroscopia de pérdida de energía de electrones permitieron al equipo caracterizar la heterounión del semiconductor con precisión atómica ".