Los materiales bidimensionales (2D) conductores electrónicamente son actualmente temas candentes de investigación tanto en física como en química debido a sus propiedades únicas que tienen el potencial de abrir nuevas vías en la ciencia y la tecnología. Además, la combinación de diferentes materiales 2D, llamados heteroestructuras, amplía la diversidad de sus propiedades eléctricas, fotoquímicas y magnéticas. Esto puede dar lugar a dispositivos electrónicos innovadores que no se pueden lograr con un solo material.
Las heteroestructuras se pueden fabricar de dos maneras:verticalmente, con materiales apilados uno encima del otro, o lateralmente, donde los materiales se apilan uno al lado del otro en el mismo plano. Las disposiciones laterales ofrecen una ventaja especial, al limitar los portadores de carga a un solo plano y allanar el camino para dispositivos electrónicos excepcionales "en el plano". Sin embargo, la construcción de cruces laterales es un desafío.
En este sentido, resultan prometedores los materiales conductores 2D elaborados con materiales orgánicos, llamados "nanohojas de coordinación". Se pueden crear combinando metales y ligandos, desde aquellos con propiedades metálicas como el grafeno y propiedades semiconductoras como los dicalcogenuros de metales de transición hasta los que poseen propiedades aislantes como el nitruro de boro.
Estas nanohojas permiten un método único llamado transmetalación. Esto permite la síntesis de heteroestructuras laterales con "heterouniones", que no se pueden lograr mediante reacción directa. Las heterouniones son interfaces entre dos materiales que tienen propiedades electrónicas distintas y, por lo tanto, pueden servir como dispositivos electrónicos.
Además, al utilizar heterouniones de nanoláminas coordinadas, se pueden crear nuevas propiedades electrónicas que han sido difíciles de lograr con materiales 2D convencionales. A pesar de estas ventajas, la investigación sobre la transmetalación como método para fabricar heteroestructuras es aún limitada.
Para abordar esta brecha de conocimiento, un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor Hiroshi Nishihara del Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, utilizó la transmetalación secuencial para sintetizar heterouniones laterales de Zn3. Nanohojas de coordinación BHT.
El equipo incluía al Dr. Choon Meng Tan, el profesor asistente Naoya Fukui, el profesor asistente Kenji Takada y el profesor asistente Hiroaki Maeda, también de TUS. El estudio, un esfuerzo de investigación conjunto de TUS, la Universidad de Cambridge, el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS), el Instituto de Tecnología de Kioto y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), se publicó en la revista Angewandte. Edición Internacional Chemie el 5 de enero de 2024.
El equipo fabricó y caracterizó por primera vez el Zn3 Nanohoja de coordinación BHT. A continuación, investigaron la transmetalación del Zn3 BHT con cobre y hierro. El profesor Nishihara explica:"Mediante la inmersión secuencial y espacialmente limitada de la nanolámina en soluciones acuosas de iones de cobre y hierro en condiciones suaves, fabricamos fácilmente heteroestructuras con heterouniones en el plano de nanoláminas de hierro y cobre transmetaladas".
Este método es un proceso de solución a temperatura ambiente y presión atmosférica, desde la fabricación de nanohojas coordinadas hasta la fabricación de heterouniones en el plano. Este proceso es completamente diferente del proceso de procesamiento en fase gaseosa, vacío y a alta temperatura que se utiliza en la tecnología de litografía para semiconductores de silicio.
Es un proceso sencillo y económico que no requiere grandes equipos. El desafío es cómo crear películas delgadas altamente cristalinas y libres de impurezas. Si se dispone de salas limpias y reactivos altamente purificados, pronto se lograrán técnicas de fabricación comercialmente viables.
La heterounión resultante obtenida por los investigadores demostró un comportamiento rectificador común en los circuitos electrónicos. Las pruebas de las características del diodo revelaron la versatilidad del Zn3 Nanohoja de coordinación BHT. Estas características se pueden cambiar fácilmente sin ningún equipo especial. Además, este material también permite la fabricación de un circuito integrado a partir de una única hoja de coordinación, sin ningún patchwork de diferentes materiales.
El profesor Nishihara afirma:"Los elementos rectificadores ultrafinos (de nanómetros de espesor) obtenidos con nuestro método serán muy útiles para la fabricación de circuitos integrados a gran escala. Al mismo tiempo, las propiedades físicas únicas de las películas de capas monoatómicas con heterouniones en el plano pueden conducir al desarrollo de nuevos elementos."
Además, al utilizar esta reacción de transmetalación, es posible crear uniones con diversas propiedades electrónicas, como uniones p – n, MIM (metal-aislante-metal) y MIS (metal-aislante-semiconductor). La capacidad de unir aisladores topológicos de una sola capa también permitirá nuevos dispositivos electrónicos como divisores de electrones y dispositivos multinivel que sólo se han predicho teóricamente.
En general, este estudio presenta una técnica simple pero poderosa para crear heteroestructuras laterales, lo que marca un paso significativo en la investigación de materiales 2D.
Más información: Choon Meng Tan et al, Rectificador de unión heterometálica lateral fabricado mediante transmetalación secuencial de nanohojas de coordinación, Edición internacional Angewandte Chemie (2024). DOI:10.1002/anie.202318181
Proporcionado por la Universidad de Ciencias de Tokio
