O diagrama mostra a estrutura de folha plana do material usado pela equipe do MIT, dissulfeto de molibdênio. Os átomos de molibdênio são mostrados em azul-petróleo, e átomos de enxofre em amarelo. Imagem cortesia de Wang et al.
A descoberta do grafeno, um material com apenas um átomo de espessura e possuindo uma resistência excepcional e outras propriedades inovadoras, iniciou uma avalanche de pesquisas em torno de seu uso para tudo, desde eletrônicos a ótica e materiais estruturais. Mas uma nova pesquisa sugere que isso foi apenas o começo:uma família inteira de materiais bidimensionais pode abrir possibilidades ainda mais amplas para aplicações que podem mudar muitos aspectos da vida moderna.
O mais recente "novo" material, dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) - que na verdade tem sido usado por décadas, mas não em sua forma 2-D - foi descrito pela primeira vez há apenas um ano por pesquisadores na Suíça. Mas naquele ano, pesquisadores do MIT - que lutaram por vários anos para construir circuitos eletrônicos de grafeno com resultados muito limitados (exceto para aplicações de radiofrequência) - já conseguiram fazer uma variedade de componentes eletrônicos do MoS 2 . Eles dizem que o material pode ajudar a introduzir produtos radicalmente novos, de paredes inteiras que brilham a roupas com eletrônicos embutidos e vidros com telas de exibição embutidas.
Uma reportagem sobre a produção de circuitos eletrônicos complexos a partir do novo material foi publicada online neste mês na revista. Nano Letras ; o artigo é de autoria de Han Wang e Lili Yu, alunos de pós-graduação do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS); Tomás Palacios, o Emmanuel E. Landsman Professor Associado da EECS; e outros no MIT e em outros lugares.
Palacios diz que pensa em grafeno e MoS 2 são apenas o começo de um novo domínio de pesquisa em materiais bidimensionais. "É a época mais empolgante para a eletrônica nos últimos 20 ou 30 anos, "ele diz." Isso está abrindo a porta para um domínio completamente novo de materiais e dispositivos eletrônicos. "
Como o grafeno, em si uma forma 2-D de grafite, dissulfeto de molibdênio tem sido usado por muitos anos como um lubrificante industrial. Mas nunca havia sido visto como uma plataforma 2-D para dispositivos eletrônicos até o ano passado, quando cientistas da universidade suíça EPFL produziram um transistor no material.
Pesquisadores do MIT rapidamente entraram em ação:Yi-Hsien Lee, um pós-doutorado no grupo do professor associado Jing Kong na EECS, descobriram uma boa maneira de fazer grandes folhas do material usando um processo químico de deposição de vapor. Lee criou esse método enquanto trabalhava com Lain-Jong Li na Academia Sinica em Taiwan e o melhorou depois de vir para o MIT. Palacios, Wang e Yu começaram a produzir blocos de construção de circuitos eletrônicos nas folhas feitas por Lee, bem como no MoS 2 flocos produzidos por um método mecânico, que foram usados para o trabalho descrito no novo artigo.
Uma imagem de microscópio óptico mostra um circuito integrado complexo, chamado de circuito flip-flop JK, um dispositivo lógico básico, feito em um pedaço de dissulfeto de molibdênio pela equipe do MIT. Imagem cortesia de Wang et al.
Wang estava lutando para construir circuitos de grafeno para sua pesquisa de tese de doutorado, mas achei muito mais fácil fazer com o novo material. Havia um "grande gargalo" para fazer progresso com o grafeno, ele explica, porque esse material carece de um bandgap - a propriedade chave que torna possível criar transistores, o componente básico dos circuitos lógicos e de memória. Embora o grafeno precise ser modificado de maneiras exatas, a fim de criar um bandgap, MoS 2 naturalmente vem com um.
A falta de um bandgap, Wang explica, significa que com um interruptor feito de grafeno, "você pode ligá-lo, mas você não pode desligá-lo. Isso significa que você não pode fazer lógica digital. "Portanto, há anos as pessoas procuram um material que compartilhe algumas das propriedades extraordinárias do grafeno, mas também tem essa qualidade ausente - como o dissulfeto de molibdênio.
Porque já é amplamente produzido como lubrificante, e graças ao trabalho contínuo no MIT e outros laboratórios para transformá-lo em folhas grandes, aumentar a produção do material para usos práticos deve ser muito mais fácil do que com outros materiais novos, Wang e Palacios dizem.
Wang e Palacios foram capazes de fabricar uma variedade de dispositivos eletrônicos básicos no material:um inversor, que muda uma tensão de entrada para o seu oposto; uma porta NAND, um elemento lógico básico que pode ser combinado para realizar quase qualquer tipo de operação lógica; um dispositivo de memória, um dos principais componentes de todos os dispositivos computacionais; e um circuito mais complexo chamado oscilador de anel, composto de 12 transistores interconectados, que pode produzir uma saída de onda precisamente ajustada.
Palacios diz que uma aplicação potencial do novo material são telas de grande porte, como aparelhos de televisão e monitores de computador, onde um transistor separado controla cada pixel da tela. Como o material tem apenas uma molécula de espessura - ao contrário do silício altamente purificado que é usado para transistores convencionais e deve ter milhões de átomos de espessura - mesmo uma tela muito grande usaria apenas uma quantidade infinitesimal de matéria-prima. Isso poderia reduzir potencialmente o custo e o peso e melhorar a eficiência energética.
No futuro, também pode permitir tipos de dispositivos totalmente novos. O material pode ser usado, em combinação com outros materiais 2-D, para fazer dispositivos emissores de luz. Em vez de produzir uma fonte pontual de luz a partir de uma lâmpada, uma parede inteira pode ser feita para brilhar, produzindo mais suave, menos luz ofuscante. De forma similar, a antena e outros circuitos de um telefone celular podem ser tecidos em tecido, fornecendo uma antena muito mais sensível que precisa de menos energia e pode ser incorporada em roupas, Palacios diz.
O material é tão fino que é completamente transparente, e pode ser depositado em praticamente qualquer outro material. Por exemplo, MoS 2 pode ser aplicado ao vidro, produzindo displays embutidos em um par de óculos ou na janela de uma casa ou escritório.
Ali Javey, professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação na Universidade da Califórnia em Berkeley, que não estava envolvido nesta pesquisa, diz materiais em camadas, como MoS 2 são "uma classe promissora de materiais para a eletrônica do futuro, "mas adverte que" o futuro parece brilhante para semicondutores em camadas, mas ainda há trabalho a ser feito para entender melhor seus limites de desempenho e fabricação em larga escala. "
Geral, Javey diz, a pesquisa da equipe do MIT é um trabalho "elegante" que "dá um passo importante no avanço do campo de semicondutores em camadas".
Além de Palacios, Kong, Wang, Yu e Lee, o trabalho foi realizado pelo estudante graduado Allen Hsu e pelo afiliado do MIT Yumeng Shi, com os pesquisadores do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, Matthew Chin e Madan Dubey, e Lain-Jong Li da Academia Sinica em Taiwan. O trabalho foi financiado pelo U.S. Office of Naval Research, o Centro de Foco para Materiais da Microelectronics Advanced Research Corporation, a Fundação Nacional de Ciência e o Laboratório de Pesquisa do Exército.
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
