Vista esquemática em corte transversal da camada atômica de dissulfeto de molibdênio em contato com o grafeno, e encapsulado entre camadas de nitreto de boro hexagonal isolante. Crédito:Gwan-Hyoung Lee / Columbia Engineering
Em 2013, James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering, e colegas da Columbia demonstraram que poderiam melhorar drasticamente o desempenho do grafeno - carbono bidimensional (2D) altamente condutor - encapsulando-o em nitreto de boro (BN), um material isolante com uma estrutura em camadas semelhante.
Em trabalho publicado esta semana na Publicação Online Advance em Nature Nanotechnology site de, pesquisadores da Columbia Engineering, Harvard, Cornell, Universidade de Minnesota, Universidade Yonsei na Coréia, Universidade Técnica Dinamarquesa, e o Instituto Nacional Japonês de Ciência de Materiais mostraram que o desempenho de outro material 2D - dissulfeto de molibdênio (MoS 2 ) - pode ser melhorado de forma semelhante pelo encapsulamento BN.
"Essas descobertas fornecem uma demonstração de como estudar todos os materiais 2D, "diz Hone, líder deste novo estudo e diretor do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais financiado pela NSF de Columbia. "Nossa combinação de eletrodos de BN e grafeno é como um 'encaixe' no qual podemos colocar muitos outros materiais e estudá-los em um ambiente extremamente limpo para entender suas verdadeiras propriedades e potencial. Isso é uma grande promessa para uma ampla gama de aplicações, incluindo alta - eletrônicos de desempenho, detecção e emissão de luz, e química / bio-sensoriamento. "
Materiais bidimensionais (2D) criados por camadas atomicamente finas de "descascamento" de cristais a granel são extremamente extensíveis, opticamente transparente, e podem ser combinados entre si e com a eletrônica convencional de maneiras totalmente novas. Mas esses materiais - em que todos os átomos estão na superfície - são por natureza extremamente sensíveis ao ambiente, e seu desempenho muitas vezes fica muito aquém dos limites teóricos devido à contaminação e cargas aprisionadas nas camadas isolantes circundantes. O grafeno encapsulado em BN que o grupo de Hone produziu no ano passado tem mobilidade eletrônica 50x melhor - uma medida importante de desempenho eletrônico - e desordem mais baixa que permite o estudo de novos fenômenos ricos em baixas temperaturas e campos magnéticos altos.
"Queríamos ver o que poderíamos fazer com o MoS 2 - é o semicondutor 2D mais bem estudado, e, ao contrário do grafeno, pode formar um transistor que pode ser totalmente desligado, uma propriedade crucial para circuitos digitais, "observa Gwan-Hyoung Lee, co-autor do artigo e professor assistente de ciência dos materiais em Yonsei. No passado, Dispositivos MoS2 feitos em substratos isolantes comuns, como dióxido de silício, mostraram mobilidade que fica abaixo das previsões teóricas, varia de amostra para amostra, e permanece baixo após o resfriamento a baixas temperaturas, todas as indicações de um material desordenado. Os pesquisadores não sabiam se o distúrbio era devido ao substrato, como no caso do grafeno, ou devido a imperfeições no próprio material.
No novo trabalho, A equipe de Hone criou heteroestruturas, ou pilhas em camadas, de MoS 2 encapsulado em BN, com pequenos flocos de grafeno se sobrepondo à borda do MoS 2 para atuar como contatos elétricos. Eles descobriram que a mobilidade à temperatura ambiente foi melhorada por um fator de cerca de 2, aproximando-se do limite intrínseco. Após o resfriamento a baixa temperatura, a mobilidade aumentou dramaticamente, atingindo valores de 5 a 50 × que os medidos anteriormente (dependendo do número de camadas atômicas). Como outro sinal de baixa desordem, essas amostras de alta mobilidade também mostraram fortes oscilações na resistência com o campo magnético, que não tinha sido visto anteriormente em nenhum semicondutor 2D.
"Esta nova estrutura de dispositivo nos permite estudar o comportamento do transporte quântico neste material em baixa temperatura pela primeira vez, "acrescentou o estudante de PhD em Engenharia da Columbia, Xu Cui, o primeiro autor do artigo.
Ao analisar a resistência à baixa temperatura e as oscilações quânticas, a equipe conseguiu concluir que a principal fonte de desordem continua sendo a contaminação nas interfaces, indicando que mais melhorias são possíveis.
"Este trabalho nos motiva a melhorar ainda mais nossas técnicas de montagem de dispositivos, uma vez que ainda não atingimos o limite intrínseco para este material, "Hone diz." Com mais progresso, esperamos estabelecer semicondutores 2D como uma nova família de materiais eletrônicos que rivalizam com o desempenho de heteroestruturas de semicondutores convencionais - mas são criados com fita adesiva em uma bancada de laboratório em vez de sistemas caros de alto vácuo. "
