Como visto em um microscópio óptico, as heteroestruturas têm uma forma triangular. Os dois semicondutores de monocamada diferentes podem ser reconhecidos por meio de suas cores diferentes. Crédito:U de Washington
Os cientistas desenvolveram o que acreditam ser o semicondutor mais fino possível, uma nova classe de materiais em nanoescala feitos em folhas com apenas três átomos de espessura.
Os pesquisadores da Universidade de Washington demonstraram que dois desses materiais semicondutores de camada única podem ser conectados de forma atomicamente contínua, conhecida como heterojunção. Este resultado pode ser a base para a computação flexível e transparente de próxima geração, melhores diodos emissores de luz, ou LEDs, e tecnologias solares.
"Heterojunções são elementos fundamentais de dispositivos eletrônicos e fotônicos, "disse o autor sênior Xiaodong Xu, um professor assistente UW de ciência e engenharia de materiais e de física. "Nossa demonstração experimental de tais junções entre materiais bidimensionais deve permitir novos tipos de transistores, LEDs, nanolasers, e células solares a serem desenvolvidas para circuitos eletrônicos e ópticos altamente integrados em um único plano atômico. "
A pesquisa foi publicada online esta semana em Materiais da Natureza .
Os pesquisadores descobriram que dois materiais semicondutores planos podem ser conectados de ponta a ponta com perfeição cristalina. Eles trabalharam com duas camadas simples, ou monocamada, materiais - disseleneto de molibdênio e disseleneto de tungstênio - que têm estruturas muito semelhantes, que foi a chave para a criação do semicondutor bidimensional composto.
Colaboradores do centro de microscopia eletrônica da Universidade de Warwick, na Inglaterra, descobriram que todos os átomos em ambos os materiais formaram uma única estrutura de rede em favo de mel, sem quaisquer distorções ou descontinuidades. Isso fornece a ligação mais forte possível entre dois materiais de camada única, necessário para dispositivos flexíveis. Dentro da mesma família de materiais, é possível que os pesquisadores possam ligar outros pares da mesma maneira.
Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de alta resolução (STEM) mostra a estrutura de rede das heterojunções em precisão atômica. Crédito:University of Warwick
Os pesquisadores criaram as junções em um pequeno forno na UW. Primeiro, eles inseriram uma mistura de pó dos dois materiais em uma câmara aquecida a 900 graus Celsius (1, 652 F). O gás hidrogênio foi então passado pela câmara e os átomos evaporados de um dos materiais foram transportados para uma região mais fria do tubo e depositados como cristais de camada única em forma de triângulos.
Depois de um tempo, átomos evaporados do segundo material, em seguida, anexados às bordas do triângulo para criar uma heterojunção semicondutora contínua.
"Esta é uma técnica escalonável, "disse Sanfeng Wu, um estudante de doutorado da UW em física e um dos autores principais. "Como os materiais têm propriedades diferentes, eles evaporam e se separam em momentos diferentes automaticamente. O segundo material se forma em torno do primeiro triângulo que se formou anteriormente. É por isso que essas redes estão tão bem conectadas. "
Este mapa de intensidade de fotoluminescência mostra uma peça típica das heteroestruturas laterais. A região de junção produz uma emissão de luz aumentada, indicando seu potencial de aplicação em optoeletrônica. Crédito:U de Washington
Com uma fornalha maior, seria possível produzir em massa folhas dessas heteroestruturas semicondutoras, disseram os pesquisadores. Em pequena escala, leva cerca de cinco minutos para crescer os cristais, com até duas horas de aquecimento e resfriamento.
"Estamos muito entusiasmados com as novas oportunidades de ciência e engenharia fornecidas por essas novas estruturas, "disse o autor sênior David Cobden, um professor de física da UW. "No futuro, combinações de materiais bidimensionais podem ser integrados desta forma para formar todos os tipos de estruturas eletrônicas interessantes, como poços quânticos no plano e fios quânticos, superredes, transistores totalmente funcionais, e até circuitos eletrônicos completos. "
Os pesquisadores já demonstraram que a junção interage com a luz muito mais fortemente do que o resto da monocamada, o que é encorajador para aplicações optoelétricas e fotônicas, como células solares.
