p Cientistas da Rice University e do Oak Ridge National Laboratory (ORNL) avançaram na meta da eletrônica bidimensional com um método para controlar o crescimento de camadas atômicas uniformes de dissulfeto de molibdênio (MDS). p MDS, um semicondutor, faz parte de uma trilogia de materiais necessários para fazer componentes eletrônicos 2-D funcionais. Eles podem um dia ser a base para a fabricação de dispositivos tão pequenos que seriam invisíveis a olho nu.

p O trabalho aparece online esta semana em Materiais da Natureza .

p Os laboratórios do Rice do investigador principal Jun Lou, Pulickel Ajayan e Boris Yakobson, todos os professores do Departamento de Engenharia Mecânica e Ciência dos Materiais da universidade, colaborou com Wigner Fellow Wu Zhou e com o cientista Juan-Carlos Idrobo do ORNL em uma iniciativa incomum que incorporou trabalho experimental e teórico.

p Os objetivos eram ver se grande, alta qualidade, Folhas de MDS atomicamente finas podem ser cultivadas em um forno de deposição de vapor químico (CVD) e analisar suas características. A esperança é que o MDS possa ser unido ao grafeno, que não tem lacuna de banda, e nitreto de boro hexagonal (hBN), um isolante, para formar transistores de efeito de campo, circuitos lógicos integrados, fotodetectores e optoeletrônica flexível.

p "Para circuitos verdadeiramente atômicos, Isso é importante, "Lou disse." Se conseguirmos fazer este material funcionar, então teremos um conjunto de materiais para brincar para completar, dispositivos complicados. "

p Ano passado, Lou e Ajayan revelaram seu sucesso em fazer padrões intrincados de grafeno e hBN entrelaçados, entre eles, a imagem da mascote da coruja de Rice. Mas ainda faltava uma peça para que os materiais fossem parceiros plenos em aplicações eletrônicas avançadas. Até então, os pesquisadores já estavam estudando o MDS como uma solução semicondutora.

p "Os materiais bidimensionais decolaram, "Disse Ajayan." O estudo do grafeno levou à pesquisa de muitos materiais 2-D; dissulfeto de molibdênio é apenas um deles. Essencialmente, estamos tentando abranger toda a gama de lacunas de banda entre o grafeno, que é um semimetal, e o isolante de nitreto de boro. "

p O MDS é diferente do grafeno e do hBN porque não é exatamente plano. Grafeno e hBN são planos, com matrizes de hexágonos formados por seus átomos constituintes. Mas, embora o MDS pareça hexagonal quando visto de cima, é na verdade uma pilha, com uma camada de átomos de molibdênio entre duas camadas de átomos de enxofre.

p Co-autor Zheng Liu, um cientista de pesquisa conjunta nos laboratórios de Lou e Ajayan, observou que o grupo Yakobson previu que o MDS e os átomos de carbono se ligariam. "Estamos trabalhando nisso, "disse ele." Gostaríamos de juntar o grafeno e o MDS (com hBN) no que seria um romance, Componente semicondutor 2-D. "

p "A questão agora é como reunir todos os materiais 2-D, "disse o co-autor Sina Najmaei, um estudante de pós-graduação da Rice. "Eles são espécies muito diferentes e estão sendo cultivados em ambientes muito diferentes."

p Até recentemente, crescer MDS em uma forma utilizável tem sido difícil. O método de "fita adesiva" para puxar camadas de uma amostra a granel foi tentado, mas os materiais resultantes eram inconsistentes, Disse Lou. Os primeiros experimentos de CVD produziram MDS com grãos muito pequenos para serem usados ​​por suas propriedades elétricas.

p Mas no processo, os pesquisadores notaram que "ilhas" de MDS tendiam a se formar no forno, onde defeitos ou mesmo pedaços de poeira apareciam no substrato. "O material é difícil de nuclear, ao contrário de hBN ou grafeno, "Najmaei disse." Começamos a aprender que poderíamos controlar essa nucleação adicionando bordas artificiais ao substrato, e agora está ficando muito melhor entre essas estruturas. "

p "Agora podemos cultivar grãos de até 100 mícrons, "Lou disse. Isso ainda é apenas sobre a largura de um cabelo humano, mas no reino da nanoescala, é grande o suficiente para trabalhar, ele disse.

p Depois que as equipes de Ajayan e Lou conseguiram desenvolver matrizes MDS tão grandes, a equipe do ORNL obteve imagens das estruturas atômicas usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração. A matriz atômica pode ser vista claramente nas imagens e, mais importante, o mesmo acontece com os defeitos que alteram as propriedades eletrônicas do material.

p "Para melhorar as propriedades dos materiais 2-D, é importante primeiro entender como eles são colocados juntos em uma escala fundamental, "Idrobo disse." Nossa instalação de microscopia no ORNL nos permite ver os materiais de uma forma nunca vista antes - até o nível de átomos individuais. "

p Yakobson, um físico teórico, e sua equipe é especializada em analisar a interação da energia em escala atômica. Com as imagens de ORNL em mãos, eles não foram apenas capazes de calcular as energias de um conjunto muito mais complexo de defeitos do que os encontrados no grafeno ou BN, mas também puderam comparar seus números com as imagens.

p Entre as descobertas interessantes da equipe Yakobson estava a existência, relatado no ano passado, de subnano "fios" condutores ao longo dos limites de grão em MDS. De acordo com seus cálculos, o efeito só ocorreu quando os grãos se encontraram em ângulos precisos de 60 graus. As imagens de microscopia eletrônica do ORNL tornam possível visualizar esses limites de grãos diretamente.

p Os pesquisadores do Rice veem muitas maneiras possíveis de combinar os materiais, não apenas em camadas bidimensionais, mas também como pilhas tridimensionais. "Cristais naturais são feitos de estruturas ligadas pela força de van der Waals, mas eles são todos da mesma composição, "Lou disse." Agora temos a oportunidade de construir cristais 3-D com composições diferentes. "

p "São materiais muito diferentes, com diferentes propriedades eletrônicas e lacunas de banda. Colocar um em cima do outro nos daria um novo tipo de material que chamamos de sólidos de van der Waals, "Ajayan disse." Podemos colocá-los juntos em qualquer ordem de empilhamento de que precisarmos, o que seria uma nova abordagem interessante na ciência dos materiais.