EPFL-onderzoekers toonden aan dat het mogelijk is om een ​​elektrisch kanaal van enkele atomen breed te creëren in tweedimensionale isolatiematerialen. Hun simulaties openen nieuwe perspectieven voor de productie van nieuwe elektronische en fotovoltaïsche apparaten.

In de wereld van het oneindig kleine, onverwachte verschijnselen kunnen optreden op het grensvlak tussen twee materialen wanneer ze kunstmatig worden gecombineerd. Bij EPFL hebben wetenschappers aangetoond dat het mogelijk is om een ​​geleidend kanaal te genereren met een breedte van enkele atomen in de contactzone tussen verschillende platen isolatiemateriaal. Dit werk, net gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou niet alleen de creatie van nieuwe micro- en nano-elektronische apparaten mogelijk maken, maar ook van een nieuw soort zonnecel.

Tweedimensionale materialen

Om deze kleine geleidende kanalen te genereren, onderzoekers bestudeerden tweedimensionale materialen, dat wil zeggen vellen materiaal van enkele atomen dik, soms alleen bestaande uit een enkele laag atomen.

zoals grafeen, deze materialen zijn samengesteld uit atomen gerangschikt in een zeshoekige structuur, vergelijkbaar met de cellen in bijenkorven. Het verschil is dat, hoewel grafeen geleidend is en alleen uit koolstofatomen bestaat, de in de studie genoemde tweedimensionale materialen zijn isolerend en zijn opgebouwd uit verschillende elementen.

Onder de vele mogelijkheden, onderzoekers beschouwden boornitride (BN), die is samengesteld uit twee soorten atomen. In zijn natuurlijke staat, een "vel" boornitride werkt als een isolator en kan daarom geen elektrische stroom geleiden. Echter, de techniek, na een kleine chemische wijziging, stelt onderzoekers in staat om "leads" voor geleidende elektronen te ontwikkelen.

Een protonensandwich

De fabricage van het elektrische kanaal is een bewerking in twee stappen. Het wordt gemaakt door een proton te fixeren (d.w.z. een waterstofatoom) op een vel boornitride boven elk booratoom (B) en één onder elk stikstofatoom (N). Dus ingeklemd tussen de waterstofatomen, de "versierde" boornitrideplaat genereert een geleidend kanaal van enkele atomen breed wanneer deze in contact wordt gebracht met een "ongerepte" plaat van BN. De nieuwe "draad" die zich op het grensvlak tussen de twee platen bevindt, maakt een nauwkeurige controle van de circulatie van de elektronen mogelijk wanneer er spanning wordt uitgeoefend. "Apart genomen, het chemisch gemodificeerde vel en het blanco vel zijn niet geleidend, " zegt Giovanni Pizza, co-auteur van de studie. "Alleen door de een met de ander te combineren, verschijnt het kanaal."

Mogelijke toepassingen in verband met deze simulaties zijn talrijk. De nieuwe geleidende "draden" zouden met name kunnen dienen om compactere en krachtigere micro- en nano-elektronische apparaten te ontwikkelen. "De 'draden' die door traditionele lithografie worden geproduceerd, komen niet onder de twintig nanometer, wat minstens honderd atomen betekent, " zegt Giovanni Pizzi. "Een paar atomen breed, onze draad zou de verschillende processors van een nanochip kunnen verbinden door veel minder ruimte in te nemen dan de huidige draden."

Een nieuw model zonnecel

Toepassingen met betrekking tot deze kleine geleidende kanalen kunnen ook de creatie van een nieuw soort ultradunne en flexibele zonnecel omvatten.

Wanneer het materiaal met het patroon van kanalen wordt blootgesteld aan zonlicht, elektronen die aanwezig zijn in het isolerende deel bewegen naar de geleidende paden. "Om een ​​elektrische stroom te verkrijgen, dan volstaat het om de kanalen eenvoudig aan te sluiten, " legt Marco Gibertini uit, die ook co-auteur was van het onderzoek.

Op weg naar experimentele tests

EPFL-onderzoekers hopen nu dat hun simulatiewerk de aandacht trekt van specialisten in het experimentele gebied om tests uit te voeren in real-life settings. "In onze studie bieden we een eenvoudige berekening die onderzoekers kunnen uitvoeren om te zien of een bepaald materiaal, na chemische modificatie, zal deze kleine draden vormen, " zegt Marco Gibertini. "Ons idee is gebaseerd op eerdere resultaten op 3D-materialen. We hebben ook bewust bestaande experimentele materialen en technieken onderzocht. Dit zou experimentele tests moeten vergemakkelijken, " hij voegt toe.