La síntesis reciente de heteroestructuras unidimensionales de van der Waals, un tipo de heteroestructura hecha por capas de materiales bidimensionales que tienen un átomo de espesor, puede conducir a nuevos, electrónica miniaturizada que actualmente no es posible, según un equipo de investigadores de Penn State y la Universidad de Tokio.

Los ingenieros suelen producir heteroestructuras para lograr nuevas propiedades de dispositivos que no están disponibles en un solo material. Una heteroestructura de van der Waals es una hecha de materiales 2D que se apilan directamente uno encima del otro como bloques de Lego o un sándwich. La fuerza de van der Waals, que es una fuerza de atracción entre moléculas o átomos sin carga, mantiene los materiales juntos.

Según Slava V. Rotkin, Profesor de Penn State Frontier de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, la heteroestructura unidimensional de van der Waals producida por los investigadores es diferente de las heteroestructuras de van der Waals que los ingenieros han producido hasta ahora.

"Parece una pila de materiales en capas 2D enrollados en un cilindro perfecto, "Dijo Rotkin." En otras palabras, si enrollas un bocadillo, mantienes todas las cosas buenas en él donde debería estar y sin moverte, pero en este caso también lo conviertes en un cilindro delgado, muy compacto como un hot-dog o un rollo de sushi largo. De este modo, los materiales 2D aún se contactan entre sí en una secuencia de heteroestructura vertical deseada, mientras que uno no necesita preocuparse por sus bordes laterales, todo enrollado, lo cual es muy importante para la fabricación de dispositivos súper pequeños ".

La investigación del equipo, publicado en ACS Nano , sugiere que todos los materiales 2D podrían enrollarse en estos cilindros de heteroestructura unidimensional, conocidos como hetero-nanotubos. Los investigadores de la Universidad de Tokio fabricaron recientemente electrodos en un hetero-nanotubo y demostraron que puede funcionar como un diodo extremadamente pequeño con un alto rendimiento a pesar de su tamaño.

"Los diodos son un tipo importante de dispositivo utilizado en optoelectrónica:están en el núcleo de los fotodetectores, células solares, dispositivos emisores de luz, etc., "Dijo Rotkin." En electrónica, los diodos se utilizan en varios circuitos especializados; aunque el elemento principal de la electrónica es un transistor, dos diodos, conectados espalda con espalda, puede servir como un interruptor, también."

Esto abre una nueva clase potencial de materiales para la electrónica miniaturizada.

"Lleva la tecnología de dispositivos de materiales 2D a un nuevo nivel, permitiendo potencialmente una nueva generación de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, "Dijo Rotkin.

La contribución de Rotkin al proyecto fue resolver una tarea particularmente desafiante, lo que aseguraba que pudieran hacer que el cilindro de heteroestructura unidimensional de van der Waals tuviera todas las capas de material requeridas.

"Utilizando de nuevo la analogía del sándwich, necesitábamos saber si teníamos una cáscara de 'rosbif' a lo largo de todo un sándwich cilíndrico o si había regiones donde solo tenemos cáscaras de 'pan' y 'lechuga', "Dijo Rotkin." La ausencia de una capa aislante intermedia significaría que fallamos en la síntesis del dispositivo. Mi método mostró explícitamente que las carcasas del medio estaban allí a lo largo de toda la longitud del dispositivo ".

En regular, heteroestructuras planas de van der Waals, La confirmación de la existencia o ausencia de algunas capas se puede hacer fácilmente porque son planas y tienen un área grande. Esto significa que un investigador puede usar varios tipos de microscopios para recolectar una gran cantidad de señal de los grandes, áreas planas, para que sean fácilmente visibles. Cuando los investigadores los acumulan, como en el caso de una heteroestructura unidimensional de van der Waals, se convierte en un cilindro en forma de alambre muy delgado que es difícil de caracterizar porque emite poca señal y se vuelve prácticamente invisible. Además, para probar la existencia de una capa aislante en la unión semiconductor-aislante-semiconductor del diodo, hay que resolver no solo la capa exterior del hetero-nanotubo sino la del medio, que está completamente sombreado por las capas externas de un semiconductor de sulfuro de molibdeno.

Para solucionar esto, Rotkin usó un microscopio óptico de campo cercano de escaneo de dispersión que es parte del Consorcio de Cristal 2D del Instituto de Investigación de Materiales, que pueden "ver" los objetos de tamaño nanométrico y determinar las propiedades ópticas de sus materiales. También desarrolló un método especial de análisis de los datos conocido como imagen óptica hiperespectral con resolución nanométrica, que puede distinguir diferentes materiales y, por lo tanto, pruebe la estructura del diodo unidimensional en toda su longitud.

Según Rotkin, esta es la primera demostración de resolución óptica de una capa hexagonal de nitruro de boro (hBN) como parte de un hetero-nanotubo. Nanotubos puros de hBN mucho más grandes, que consta de muchas cáscaras de hBN sin otros tipos de material, se estudiaron en el pasado con un microscopio similar.

"Sin embargo, la imagen de esos materiales es bastante diferente de lo que he hecho antes, "Dijo Rotkin." El resultado beneficioso está en la demostración de nuestra capacidad para medir el espectro óptico del objeto, que es una capa interna de un cable que tiene solo dos nanómetros de grosor. Es comparable a la diferencia entre poder ver un tronco de madera y poder reconocer una barra de grafito dentro del lápiz a través de las paredes del lápiz ".

Rotkin planea expandir su investigación para extender las imágenes hiperespectrales para resolver mejor otros materiales, como el vidrio, varios materiales 2D, y túbulos proteicos y virus.

"Es una técnica novedosa que conducirá a, Ojalá, futuros descubrimientos que suceden, "Dijo Rotkin.