A síntese recente de heteroestruturas unidimensionais de van der Waals, um tipo de heteroestrutura feita por camadas de materiais bidimensionais que têm a espessura de um átomo, pode levar a novos, eletrônicos miniaturizados que atualmente não são possíveis, de acordo com uma equipe de pesquisadores da Penn State e da University of Tokyo.

Os engenheiros geralmente produzem heteroestruturas para alcançar novas propriedades de dispositivo que não estão disponíveis em um único material. Uma heteroestrutura de van der Waals é feita de materiais 2D empilhados diretamente uns sobre os outros, como blocos de Lego ou um sanduíche. A força van der Waals, que é uma força atrativa entre moléculas ou átomos sem carga, mantém os materiais juntos.

De acordo com Slava V. Rotkin, Professor de Ciências da Engenharia e Mecânica da Penn State Frontier, a heteroestrutura unidimensional de van der Waals produzida pelos pesquisadores é diferente das heteroestruturas de van der Waals que os engenheiros produziram até agora.

"Parece uma pilha de materiais em camadas 2D que são enrolados em um cilindro perfeito, "Rotkin disse." Em outras palavras, se você enrolar um sanduíche, você mantém todas as coisas boas onde deveria estar e não se move, mas, neste caso, você também o torna um cilindro fino, muito compacto como um cachorro-quente ou um longo rolo de sushi. Desta maneira, os materiais 2D ainda entram em contato uns com os outros em uma sequência de heteroestrutura vertical desejada, enquanto não se precisa se preocupar com suas bordas laterais, tudo enrolado, o que é muito importante para a fabricação de dispositivos muito pequenos. "

A pesquisa da equipe, publicado em ACS Nano , sugere que todos os materiais 2D podem ser laminados nesses cilindros heteroestruturais unidimensionais, conhecido como hetero-nanotubos. Os pesquisadores da Universidade de Tóquio fabricaram recentemente eletrodos em um hetero-nanotubo e demonstraram que ele pode funcionar como um diodo extremamente pequeno com alto desempenho, apesar de seu tamanho.

"Diodos são o principal tipo de dispositivo usado em optoeletrônica - eles estão no núcleo dos fotodetectores, células solares, dispositivos emissores de luz, etc, "Rotkin disse." Em eletrônica, diodos são usados ​​em vários circuitos especializados; embora o principal elemento da eletrônica seja um transistor, dois diodos, conectado costas com costas, pode servir como um interruptor, também."

Isso abre uma nova classe potencial de materiais para eletrônicos miniaturizados.

"Ele traz a tecnologia de dispositivos de materiais 2D a um novo nível, potencialmente permitindo uma nova geração de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, "Rotkin disse.

A contribuição de Rotkin para o projeto foi resolver uma tarefa particularmente desafiadora, que estava garantindo que eles fossem capazes de fazer o cilindro heteroestrutura unidimensional de van der Waals ter todas as camadas de material necessárias.

"Usando a analogia do sanduíche novamente, precisávamos saber se tínhamos uma casca de 'rosbife' ao longo de todo o comprimento de um sanduíche cilíndrico ou se havia regiões onde temos apenas cascas de 'pão' e 'alface', "Rotkin disse." A ausência de uma camada isolante intermediária significaria que falhamos na síntese do dispositivo. Meu método mostrou explicitamente que as conchas do meio estavam todas lá ao longo de todo o comprimento do dispositivo. "

No regular, heteroestruturas planas de van der Waals, A confirmação da existência ou ausência de algumas camadas pode ser feita facilmente, pois são planas e possuem uma grande área. Isso significa que um pesquisador pode usar vários tipos de microscopias para coletar muitos sinais de grandes, áreas planas, então eles são facilmente visíveis. Quando os pesquisadores os enrolam, como no caso de uma heteroestrutura unidimensional de van der Waals, torna-se um cilindro muito fino em forma de fio que é difícil de caracterizar porque emite pouco sinal e se torna praticamente invisível. Além disso, a fim de comprovar a existência de camada isolante na junção semicondutor-isolador-semicondutor do diodo, é preciso resolver não apenas a camada externa do hetero-nanotubo, mas também a do meio, que é completamente sombreado pelas camadas externas de um semicondutor de sulfeto de molibdênio.

Para resolver isso, Rotkin usou um microscópio óptico de varredura de campo próximo de espalhamento que faz parte do Consórcio de cristal 2D do Material Research Institute, que pode "ver" os objetos de tamanho em nanoescala e determinar as propriedades ópticas de seus materiais. Ele também desenvolveu um método especial de análise de dados conhecido como imagem óptica hiperespectral com resolução nanométrica, que pode distinguir diferentes materiais e, portanto, testar a estrutura do diodo unidimensional ao longo de todo o seu comprimento.

De acordo com Rotkin, esta é a primeira demonstração de resolução óptica de uma concha hexagonal de nitreto de boro (hBN) como parte de um hetero-nanotubo. Nanotubos hBN puros muito maiores, consistindo em muitos invólucros de hBN sem outros tipos de material, foram estudados no passado com um microscópio semelhante.

"Contudo, a imagem desses materiais é bastante diferente do que fiz antes, "Rotkin disse." O resultado benéfico está na demonstração de nossa capacidade de medir o espectro óptico do objeto, que é a camada interna de um fio com apenas dois nanômetros de espessura. É comparável à diferença entre ser capaz de ver uma tora de madeira e ser capaz de reconhecer um pedaço de grafite dentro do lápis através das paredes do lápis. "

Rotkin planeja expandir sua pesquisa para estender a imagem hiperespectral para melhor resolver outros materiais, como vidro, vários materiais 2D, e túbulos de proteínas e vírus.

"É uma nova técnica que levará a, esperançosamente, futuras descobertas acontecendo, "Rotkin disse.