Nanomaterialen zouden de basis kunnen vormen voor veel opkomende technologieën, inclusief extreem kleine, flexibel, en transparante elektronica.

Hoewel veel nanomaterialen veelbelovende elektronische eigenschappen vertonen, wetenschappers en ingenieurs werken nog steeds aan de beste integratie van deze materialen om er uiteindelijk halfgeleiders en circuits mee te maken.

Northwestern Engineering-onderzoekers hebben tweedimensionale (2-D) heterostructuren gemaakt van twee van deze materialen, grafeen en borofeen, een belangrijke stap zetten in de richting van het creëren van geïntegreerde circuits van deze nanomaterialen.

"Als je een geïntegreerd circuit in een smartphone zou openbreken, je zou veel verschillende materialen samen zien integreren, " zei Mark Hersam, Walter P. Murphy Hoogleraar Materials Science and Engineering, die het onderzoek leidde. "Echter, we hebben de grenzen van veel van die traditionele materialen bereikt. Door nanomaterialen zoals borofeen en grafeen samen te integreren, we openen nieuwe mogelijkheden in nano-elektronica."

Ondersteund door het Office for Naval Research en de National Science Foundation, de resultaten zijn op 11 oktober gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Naast Hersam, toegepaste natuurkunde Ph.D. student Xiaolong Liu was co-auteur van dit werk.

Een nieuw soort heterostructuur creëren

Elke geïntegreerde schakeling bevat veel materialen die verschillende functies vervullen, zoals het geleiden van elektriciteit of het elektrisch geïsoleerd houden van componenten. Maar hoewel transistors in circuits steeds kleiner worden - dankzij de vooruitgang in materialen en fabricage - bereiken ze bijna de limiet van hoe klein ze kunnen worden.

Ultradunne 2D-materialen zoals grafeen hebben het potentieel om dat probleem te omzeilen, maar het samenvoegen van 2D-materialen is moeilijk. Deze materialen zijn slechts één atoom dik, dus als de atomen van de twee materialen niet perfect op één lijn liggen, de integratie zal waarschijnlijk niet slagen. Helaas, de meeste 2D-materialen komen niet overeen op atomaire schaal, uitdagingen voor 2-D geïntegreerde schakelingen.

Borofeen, de 2D-versie van boor die Hersam en collega's voor het eerst synthetiseerden in 2015, is polymorf, wat betekent dat het veel verschillende structuren kan aannemen en zich kan aanpassen aan zijn omgeving. Dat maakt het een ideale kandidaat om te combineren met andere 2D-materialen, zoals grafeen.

Om te testen of het mogelijk was om de twee materialen te integreren in een enkele heterostructuur, Het laboratorium van Hersam kweekte zowel grafeen als borofeen op hetzelfde substraat. Ze kweekten eerst het grafeen, omdat het bij een hogere temperatuur groeit, deponeerde vervolgens boor op hetzelfde substraat en liet het groeien in gebieden waar geen grafeen was. Dit proces resulteerde in laterale interfaces waar, vanwege het accommoderende karakter van borofeen, de twee materialen aan elkaar genaaid op atomaire schaal.

Elektronische overgangen meten

Het lab karakteriseerde de 2-D heterostructuur met behulp van een scanning tunneling-microscoop en ontdekte dat de elektronische overgang over de interface uitzonderlijk abrupt was, wat betekent dat het ideaal zou kunnen zijn voor het maken van kleine elektronische apparaten.

"Deze resultaten suggereren dat we later apparaten met ultrahoge dichtheid kunnen maken, "Zei Hersam. Uiteindelijk, Hersam hoopt steeds complexere 2D-structuren te bereiken die leiden tot nieuwe elektronische apparaten en circuits. Hij en zijn team werken aan het creëren van extra heterostructuren met borofeen, combineren met een toenemend aantal van de honderden bekende 2D-materialen.

"In de afgelopen twintig jaar nieuwe materialen hebben miniaturisatie mogelijk gemaakt en dienovereenkomstig verbeterde prestaties in transistortechnologie, " zei hij. "Tweedimensionale materialen hebben het potentieel om de volgende sprong te maken."