Elektronisch geleidende tweedimensionale (2D) materialen zijn momenteel populaire onderzoeksonderwerpen in zowel de natuurkunde als de scheikunde vanwege hun unieke eigenschappen die het potentieel hebben om nieuwe wegen in wetenschap en technologie te openen. Bovendien vergroot de combinatie van verschillende 2D-materialen, heterostructuren genoemd, de diversiteit van hun elektrische, fotochemische en magnetische eigenschappen. Dit kan leiden tot innovatieve elektronische apparaten die niet met één enkel materiaal alleen haalbaar zijn.

Heterostructuren kunnen op twee manieren worden vervaardigd:verticaal, waarbij materialen op elkaar worden gestapeld, of zijdelings, waarbij materialen naast elkaar in hetzelfde vlak worden gestapeld. Laterale arrangementen bieden een speciaal voordeel, omdat ze ladingsdragers beperken tot één enkel vlak en de weg vrijmaken voor uitzonderlijke elektronische apparaten in het vlak. De constructie van laterale kruispunten is echter een uitdaging.

In dit opzicht zijn het uitvoeren van 2D-materialen gemaakt met behulp van organische materialen, genaamd "coördinatie-nanosheets", veelbelovend. Ze kunnen worden gemaakt door metalen en liganden te combineren, variërend van die met metallische eigenschappen zoals grafeen en halfgeleidende eigenschappen zoals overgangsmetaaldichalcogeniden tot die met isolerende eigenschappen zoals boornitride.

Deze nanosheets maken een unieke methode mogelijk die transmetallatie wordt genoemd. Dit maakt de synthese mogelijk van laterale heterostructuren met "heterojuncties", wat niet kan worden bereikt door middel van directe reactie. Heterojuncties zijn interfaces tussen twee materialen die verschillende elektronische eigenschappen hebben en daarom als elektronische apparaten kunnen dienen.

Bovendien kunnen door gebruik te maken van heterojuncties van gecoördineerde nanosheets nieuwe elektronische eigenschappen worden gecreëerd die moeilijk te bereiken waren met conventionele 2D-materialen. Ondanks deze voordelen is het onderzoek naar transmetallering als methode om heterostructuren te vervaardigen nog steeds beperkt.

Om deze kenniskloof aan te pakken, heeft een team van onderzoekers uit Japan, onder leiding van professor Hiroshi Nishihara van het Research Institute for Science and Technology aan de Tokyo University of Science (TUS), Japan, sequentiële transmetallatie gebruikt om laterale heterojuncties van Zn_{3 te synthetiseren} BHT-coördinatie nanosheets.

Het team bestond uit Dr. Choon Meng Tan, assistent-professor Naoya Fukui, assistent-professor Kenji Takada en assistent-professor Hiroaki Maeda, eveneens van TUS. De studie, een gezamenlijke onderzoeksinspanning van TUS, de Universiteit van Cambridge, het National Institute for Materials Science (NIMS), Kyoto Institute of Technology en het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), werd gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie Internationale Editie op 5 januari 2024.

Het team fabriceerde en karakteriseerde eerst de Zn₃ BHT-coördinatie nanosheet. Vervolgens onderzochten ze de transmetallatie van Zn₃ BHT met koper en ijzer. Prof. Nishihara legt uit:"Via sequentiële en ruimtelijk beperkte onderdompeling van de nanosheet in waterige koper- en ijzerionoplossingen onder milde omstandigheden, hebben we gemakkelijk heterostructuren gefabriceerd met heterojuncties in het vlak van getransmetalleerde ijzer- en koperen nanosheets."

Deze methode is een oplossingsproces bij kamertemperatuur en atmosferische druk, van de fabricage van gecoördineerde nanosheets tot de fabricage van heterojuncties in het vlak. Dit proces is compleet anders dan het hogetemperatuur-, vacuüm-, gasfaseverwerkingsproces dat wordt gebruikt in de lithografietechnologie voor siliciumhalfgeleiders.

Het is een eenvoudig en goedkoop proces waarvoor geen grote apparatuur nodig is. De uitdaging is hoe zeer kristallijne dunne films te creëren die vrij zijn van onzuiverheden. Als er schone kamers en sterk gezuiverde reagentia beschikbaar zijn, zullen binnenkort commercieel haalbare productietechnieken worden gerealiseerd.

De resulterende naadloze heterojunctie, verkregen door de onderzoekers, demonstreerde rectificerend gedrag dat gebruikelijk is in elektronische circuits. Het testen van de kenmerken van de diode onthulde de veelzijdigheid van de Zn₃ BHT-coördinatie nanosheet. Deze kenmerken kunnen eenvoudig worden gewijzigd zonder speciale apparatuur. Bovendien maakt dit materiaal ook de vervaardiging van een geïntegreerde schakeling uit slechts één coördinatieblad mogelijk, zonder patchwork uit verschillende materialen.

Prof. Nishihara stelt:"Ultradunne (nanometerdikke) gelijkrichtelementen verkregen uit onze methode zullen behoorlijk nuttig zijn voor de fabricage van ultragrootschalige geïntegreerde schakelingen. Tegelijkertijd kunnen de unieke fysieke eigenschappen van monoatomaire laagfilms met heterojuncties in het vlak leiden tot de ontwikkeling van nieuwe elementen."

Bovendien is het door deze transmetallatiereactie te gebruiken mogelijk om kruispunten te creëren met verschillende elektronische eigenschappen, zoals p – n, MIM (metaal-isolator-metaal) en MIS (metaal-isolator-halfgeleider) kruispunten. Het vermogen om topologische isolatoren met één laag te verbinden zal ook nieuwe elektronische apparaten mogelijk maken, zoals elektronensplitsers en apparaten met meerdere niveaus die alleen theoretisch zijn voorspeld.

Over het geheel genomen presenteert deze studie een eenvoudige maar krachtige techniek voor het vervaardigen van laterale heterostructuren, wat een belangrijke stap markeert in het onderzoek naar 2D-materialen.

Meer informatie: Choon Meng Tan et al., Laterale heterometalen junctie-gelijkrichter vervaardigd door sequentiële transmetallatie van coördinatie-nanosheet, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202318181

Aangeboden door de Tokyo University of Science