Vista superior da superfície do modelo 3D do computador (à esquerda) e imagem da Microscopia da Força Atômica (à direita) do novo filme feito por cientistas da Universidade de Tóquio. A estrutura bem organizada das moléculas é visível no modelo 3D do computador e na imagem do microscópio como uma espinha de peixe ou um padrão em cruz. As diferenças de cor na imagem microscópica são resultado dos diferentes comprimentos das caudas das moléculas; as diferenças de comprimento causam a frustração geométrica que impede o empilhamento das camadas. pm =picômetros, nm =nanômetros Crédito:Shunto Arai e Tatsuo Hasegawa
Pesquisadores japoneses desenvolveram um novo método para construir grandes áreas de material semicondutor com apenas duas moléculas de espessura e um total de 4,4 nanômetros de altura. Os filmes funcionam como transistores de filme fino, e têm potenciais aplicações futuras em eletrônicos flexíveis ou detectores químicos. Esses transistores de filme fino são o primeiro exemplo de bicamadas moleculares simples semicondutoras criadas com processamento de solução líquida, um processo de fabricação padrão que minimiza custos.
"Queremos dar aos dispositivos eletrônicos as características das membranas celulares reais:flexível, Forte, confidencial, e super fino. Encontramos uma nova maneira de projetar bicamadas moleculares únicas semicondutoras que nos permite fabricar grandes áreas de superfície, até 100 centímetros quadrados (39 polegadas quadradas). Eles podem funcionar como transistores de filme fino de alto desempenho e podem ter muitas aplicações no futuro, "disse o professor assistente Shunto Arai, o primeiro autor na publicação de pesquisa recente.
O professor Tatsuo Hasegawa, do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Tóquio, liderou a equipe que construiu o novo filme. O avanço responsável por seu sucesso é um conceito chamado frustração geométrica, que usa uma forma molecular que torna difícil para as moléculas se estabelecerem em várias camadas umas sobre as outras.
O filme é transparente, mas as forças de atração e repulsão entre as moléculas criam um padrão espinha de peixe repetido quando o filme é visto de cima através de um microscópio. A estrutura molecular geral da bicamada é altamente estável. Os pesquisadores acreditam que deveria ser possível construir a mesma estrutura a partir de diferentes moléculas com diferentes funcionalidades.
Representação artística de moléculas geometricamente frustradas. As moléculas são alinhadas cabeça a cabeça (porções amarelas) com suas caudas apontando em direções opostas (porções cinza) para que as moléculas formem uma linha vertical. Os diferentes comprimentos de cauda evitam que camadas adicionais de moléculas se acumulem no topo. Os transistores de filme fino feitos de bicamadas moleculares únicas terão melhor desempenho do dispositivo do que os filmes irregulares ou de espessura maior. Crédito:Universidade de Tóquio
As moléculas individuais usadas no filme atual são divididas em duas regiões:uma cabeça e uma cauda. A cabeça de uma molécula empilha em cima da outra, com suas caudas apontando em direções opostas, de forma que as moléculas formem uma linha vertical. Essas duas moléculas são rodeadas por pares idênticos de moléculas cabeça a cabeça, que juntos formam um sanduíche chamado bicamada molecular.
Os pesquisadores descobriram que poderiam impedir que bicamadas adicionais se acumulassem no topo, construindo a bicamada de moléculas com caudas de diferentes comprimentos, portanto, as superfícies da bicamada são ásperas e desencorajam o empilhamento naturalmente. Esse efeito de comprimentos diferentes é conhecido como frustração geométrica.
Os métodos padrão de criação de bicamadas moleculares semicondutoras não podem controlar a espessura sem causar rachaduras ou uma superfície irregular. A frustração geométrica de caudas de comprimentos diferentes permitiu aos pesquisadores evitar essas armadilhas e construir um quadrado de 10 cm por 10 cm (3,9 por 3,9 polegadas) de seu filme usando o método industrial comum de processamento de solução.
Representação artística do processo de solução de revestimento de lâmina para produzir transistores de película fina de dupla camada molecular única. Moléculas líquidas são espalhadas por uma lâmina sobre a superfície de produção em temperatura ambiente e pressão de ar padrão em uma técnica chamada processamento de solução. À medida que o líquido seca, as forças intermoleculares fazem com que as moléculas se organizem automaticamente em bicamadas únicas geometricamente frustradas com apenas 4,4 nanômetros de espessura. Crédito:Shunto Arai e Tatsuo Hasegawa
As propriedades semicondutoras da bicamada podem dar aos filmes aplicações em eletrônica flexível ou detecção química.
Os semicondutores são capazes de alternar entre os estados que permitem o fluxo da eletricidade (condutores) e os estados que impedem o fluxo da eletricidade (isoladores). Essa comutação liga-desliga é o que permite que os transistores alterem rapidamente as imagens exibidas, como uma imagem em uma tela LCD. A bicamada molecular única criada pela equipe UTokyo é muito mais rápida do que os transistores de filme fino de silício amorfo, um tipo comum de semicondutor usado atualmente na eletrônica.
