De recente synthese van eendimensionale van der Waals heterostructuren, een type heterostructuur gemaakt door tweedimensionale materialen met een dikte van één atoom aan te brengen, kan leiden tot nieuwe, geminiaturiseerde elektronica die momenteel niet mogelijk is, volgens een team van onderzoekers van Penn State en University of Tokyo.

Ingenieurs produceren gewoonlijk heterostructuren om nieuwe apparaateigenschappen te bereiken die niet beschikbaar zijn in één enkel materiaal. Een heterostructuur van van der Waals is een structuur die is gemaakt van 2D-materialen die direct op elkaar zijn gestapeld, zoals legoblokken of een sandwich. De van der Waals kracht, wat een aantrekkingskracht is tussen ongeladen moleculen of atomen, houdt de materialen bij elkaar.

Volgens Slava V. Rotkin, Penn State Frontier hoogleraar technische wetenschappen en mechanica, de eendimensionale van der Waals-heterostructuur die door de onderzoekers is geproduceerd, verschilt van de van der Waals-heterostructuren die ingenieurs tot nu toe hebben geproduceerd.

"Het ziet eruit als een stapel 2D-gelaagde materialen die zijn opgerold in een perfecte cilinder, ' zei Rotkin. 'Met andere woorden, als je een boterham oprolt, je bewaart al het goede erin waar het hoort en beweegt niet, maar in dit geval maak je er ook een dunne cilinder van, zeer compact zoals een hotdog of een lange sushirol. Op deze manier, de 2D-materialen maken nog steeds contact met elkaar in een gewenste verticale heterostructuurvolgorde terwijl men zich geen zorgen hoeft te maken over hun zijranden, allemaal opgerold, dat is een groot probleem voor het maken van superkleine apparaten."

Het onderzoek van het team, gepubliceerd in ACS Nano , suggereert dat alle 2D-materialen in deze eendimensionale heterostructuurcilinders kunnen worden gerold, bekend als hetero-nanobuizen. De onderzoekers van de Universiteit van Tokyo hebben onlangs elektroden gefabriceerd op een hetero-nanobuis en hebben aangetoond dat deze ondanks zijn grootte kan werken als een extreem kleine diode met hoge prestaties.

"Diodes zijn een belangrijk type apparaat dat wordt gebruikt in de opto-elektronica - ze vormen de kern van fotodetectoren, zonnepanelen, lichtgevende apparaten, enzovoort., ' zei Rotkin. 'In de elektronica, diodes worden gebruikt in verschillende gespecialiseerde circuits; hoewel het belangrijkste element van elektronica een transistor is, twee diodes, rug aan rug verbonden, kan dienen als schakelaar, te."

Dit opent een potentiële nieuwe klasse van materialen voor geminiaturiseerde elektronica.

"Het brengt apparaattechnologie van 2D-materialen naar een nieuw niveau, mogelijk een nieuwe generatie van zowel elektronische als opto-elektronische apparaten mogelijk maken, ' zei Rotkin.

Rotkins bijdrage aan het project was het oplossen van een bijzonder uitdagende taak, die ervoor zorgden dat ze in staat waren om de eendimensionale van der Waals heterostructuurcilinder alle vereiste materiaallagen te geven.

"Nog een keer de sandwich-analogie gebruikend, we moesten weten of we een schaal van 'rosbief' hadden over de hele lengte van een cilindrische sandwich of dat er regio's waren waar we alleen 'brood' en 'sla'-schelpen hebben, " zei Rotkin. "De afwezigheid van een middelste isolerende laag zou betekenen dat we gefaald hebben in de synthese van het apparaat. Mijn methode toonde expliciet aan dat de middelste schelpen er allemaal waren over de hele lengte van het apparaat."

bij regulier, platte van der Waals heterostructuren, het bevestigen van het al dan niet bestaan ​​van sommige lagen kan eenvoudig worden gedaan omdat ze vlak zijn en een groot oppervlak hebben. Dit betekent dat een onderzoeker verschillende type microscopie kan gebruiken om veel signaal te verzamelen van de grote, vlakke gebieden, zodat ze goed zichtbaar zijn. Als onderzoekers ze oprollen, zoals in het geval van een eendimensionale van der Waals heterostructuur, het wordt een zeer dunne draadachtige cilinder die moeilijk te karakteriseren is omdat hij weinig signaal afgeeft en praktisch onzichtbaar wordt. In aanvulling, om het bestaan ​​van een isolerende laag in de halfgeleider-isolator-halfgeleiderovergang van de diode te bewijzen, men moet niet alleen de buitenste schil van de hetero-nanobuis oplossen, maar ook de middelste, die volledig wordt overschaduwd door de buitenste schillen van een molybdeensulfidehalfgeleider.

Om dit op te lossen, Rotkin gebruikte een verstrooiende Scanning Near-field Optical Microscope die deel uitmaakt van het 2D Crystal Consortium van het Material Research Institute, die de objecten van nanoschaalgrootte kunnen "zien" en de optische eigenschappen van hun materialen kunnen bepalen. Hij ontwikkelde ook een speciale analysemethode van de gegevens die bekend staat als hyperspectrale optische beeldvorming met nanometerresolutie, die verschillende materialen kan onderscheiden en, dus, test de structuur van de eendimensionale diode over de gehele lengte.

Volgens Rotkin, dit is de eerste demonstratie van optische resolutie van een hexagonaal boornitride (hBN) omhulsel als onderdeel van een hetero-nanobuis. Veel grotere pure hBN-nanobuisjes, bestaande uit vele omhulsels van hBN zonder andere soorten materiaal, werden in het verleden met een vergelijkbare microscoop bestudeerd.

"Echter, het in beeld brengen van die materialen is heel anders dan wat ik eerder heb gedaan, " zei Rotkin. "Het gunstige resultaat is de demonstratie van ons vermogen om het optische spectrum van het object te meten, dat is een binnenste schil van een draad die slechts twee nanometer dik is. Het is vergelijkbaar met het verschil tussen het kunnen zien van een houten blok en het kunnen herkennen van een grafietstaaf in het potlood door de potloodwanden."

Rotkin is van plan zijn onderzoek uit te breiden om hyperspectrale beeldvorming uit te breiden om andere materialen beter op te lossen, zoals glas, diverse 2D materialen, en eiwittubuli en virussen.

"Het is een nieuwe techniek die zal leiden tot, Hopelijk, toekomstige ontdekkingen gebeuren, ' zei Rotkin.