p Semicondutores, metais e isoladores devem ser integrados para fazer os transistores que são os blocos de construção eletrônicos do seu smartphone, computador e outros dispositivos habilitados para microchip. Os transistores de hoje são minúsculos - meros 10 nanômetros de largura - e formados por cristais tridimensionais (3D). p Mas surge uma nova tecnologia disruptiva que usa cristais bidimensionais (2D), apenas 1 nanômetro de espessura, para habilitar eletrônicos ultrafinos. Cientistas de todo o mundo estão investigando cristais 2D feitos de materiais comuns em camadas para restringir o transporte de elétrons em apenas duas dimensões. Os pesquisadores já haviam encontrado maneiras de padronizar litograficamente camadas únicas de átomos de carbono chamadas grafeno em "fios" parecidos com fitas, completos com isolamento fornecido por uma camada semelhante de nitreto de boro. Mas, até agora, eles não tinham métodos de síntese e processamento para padronizar litograficamente as junções entre dois semicondutores diferentes dentro de uma única camada de nanômetro de espessura para formar transistores, os blocos de construção de dispositivos eletrônicos ultrafinos.

p Agora, pela primeira vez, pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia combinaram um novo processo de síntese com técnicas comerciais de litografia de feixe de elétrons para produzir matrizes de junções de semicondutores em padrões arbitrários dentro de um único, cristal semicondutor de nanômetro de espessura. O processo depende da transformação de regiões padronizadas de uma existente, cristal de camada única em outro. Os pesquisadores primeiro cresceram solteiros, camadas nanométricas de cristais de disseleneto de molibdênio em substratos e, em seguida, padrões de proteção depositados de óxido de silício usando técnicas de litografia padrão. Em seguida, eles bombardearam as regiões expostas dos cristais com um feixe de átomos de enxofre gerado a laser. Os átomos de enxofre substituíram os átomos de selênio nos cristais para formar dissulfeto de molibdênio, que tem uma estrutura de cristal quase idêntica. Os dois cristais semicondutores formaram junções agudas, os blocos de construção desejados da eletrônica. Nature Communications relata a realização.

p "Podemos literalmente fazer qualquer tipo de padrão que quisermos, "disse Masoud Mahjouri-Samani, que co-liderou o estudo com David Geohegan. Geohegan, chefe do Grupo de Síntese de Nanomateriais e Montagem Funcional do ORNL no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos, é o principal investigador de um projeto de ciência básica do Departamento de Energia com foco nos mecanismos de crescimento e síntese controlada de nanomateriais. Milhões de blocos de construção 2D com vários padrões podem ser feitos simultaneamente, Mahjouri-Samani adicionado. No futuro, pode ser possível produzir padrões diferentes na parte superior e inferior de uma folha. Mais complexidade pode ser introduzida por camadas de folhas com padrões diferentes.

p Adicionado Geohegan, "O desenvolvimento de um escalonável, O processo facilmente implementado para padronizar litograficamente e formar facilmente heterojunções semicondutoras laterais dentro de cristais bidimensionais atende a uma necessidade crítica de 'blocos de construção' para permitir dispositivos ultrafinos de próxima geração para aplicações que variam de eletrônicos flexíveis de consumo à energia solar. "

p Ajustando o bandgap

p "Escolhemos a deposição de enxofre por laser pulsado por causa do controle digital que ele fornece sobre o fluxo do material que chega à superfície, "disse Mahjouri-Samani." Você pode basicamente fazer qualquer tipo de liga intermediária. Você pode apenas substituir, dizer, 20 por cento do selênio com enxofre, ou 30 por cento, ou 50 por cento. "Adicionado Geohegan, "A deposição pulsada de laser também permite que a energia cinética dos átomos de enxofre seja sintonizada, permitindo que você explore uma ampla gama de condições de processamento. "

p É importante que, controlando a proporção de enxofre para selênio dentro do cristal, os pesquisadores podem ajustar o bandgap dos semicondutores, um atributo que determina as propriedades eletrônicas e ópticas. Para fazer dispositivos optoeletrônicos, como telas eletroluminescentes, os fabricantes de microchip integram semicondutores com diferentes bandgaps. Por exemplo, o bandgap do dissulfeto de molibdênio é maior do que o do disseleneto de molibdênio. Aplicar voltagem a um cristal contendo ambos os semicondutores faz com que os elétrons e "buracos" (cargas positivas criadas quando os elétrons saiam) se movam do dissulfeto de molibdênio para o disseleneto de molibdênio e se recombine para emitir luz no bandgap do disseleneto de molibdênio. Por essa razão, a engenharia dos bandgaps dos sistemas monocamada pode permitir a geração de luz com muitas cores diferentes, bem como permitir outras aplicações, como transistores e sensores, Mahjouri-Samani disse.

p Em seguida, os pesquisadores verão se o método de vaporização e conversão de laser pulsado funcionará com átomos diferentes de enxofre e selênio. "Estamos tentando fazer sistemas mais complexos em um plano 2D - integrar mais ingredientes, colocar em diferentes blocos de construção, porque no final do dia, um dispositivo de trabalho completo precisa de diferentes semicondutores, metais e isoladores, "Mahjouri-Samani disse.

p Para entender o processo de conversão de um cristal com nanômetros de espessura em outro, os pesquisadores usaram poderosos recursos de microscopia eletrônica disponíveis no ORNL, notavelmente microscopia eletrônica de transmissão de varredura com contraste Z de resolução atômica, que foi desenvolvido no laboratório e agora está disponível para cientistas em todo o mundo usando o Center for Nanophase Materials Sciences. Empregando esta técnica, os microscopistas eletrônicos Andrew Lupini e o cientista visitante Leonardo Basile fizeram imagens de redes hexagonais de colunas individuais de átomos nos cristais de disseleneto de molibdênio e de dissulfeto de molibdênio com nanômetros de espessura.

p "Pudemos distinguir diretamente entre átomos de enxofre e selênio por suas intensidades na imagem, "Lupini disse." Essas imagens e espectroscopia de perda de energia de elétrons permitiram à equipe caracterizar a heterojunção do semicondutor com precisão atômica. "