Heterostrukturat 2D të mbledhura si sushi mund të sjellin në prodhimin e pajisjeve elektronike Ultra të Miniaturizuara
Prodhimi më i fundit i heterostrukturave një-dimensionale van der Vals, një lloj heterostrukture e bërë nga shtresimi i materialeve dy-dimensionale që kanë përmasat e një atomi, mund të çojë në pajisje elektronike të reja, të miniaturizuara që aktualisht nuk janë të mundshme, sipas një ekipi të Penn State dhe Studiuesit e Universitetit të Tokios.
Inxhinierët zakonisht prodhojnë heterostruktura për të arritur vetitë e reja të pajisjes që nuk janë të disponueshme në një material të vetëm. Një heterostrukturë van der Vals është ajo e bërë nga materiale 2D që grumbullohen direkt njëra mbi tjetrën si blloqet Lego ose një sanduiç. Forca van der Vals, e cila është një forcë tërheqëse midis molekulave ose atomeve të ngarkuara, i mban materialet së bashku.
Sipas Slava V. Rotkin, Profesor i Shkencës dhe Mekanikës së Kufirit të Shtetit Penn, heterostruktura një-dimensionale e van der Vals-it e prodhuar nga studiuesit është e ndryshme nga heterostrukturat van der Vals të prodhuara deri më tani.
“Duket si një pirg materialesh me shtresa 2D që janë mbështjellë në një cilindër perfekt,”- thotë Rotkin. “Me fjalë të tjera, nëse mblidhni një sanduiç, i mbani të gjitha gjërat e mira aty ku duhet dhe jo duke lëvizur, por në këtë rast ju gjithashtu e bëni atë një cilindër të hollë, shumë kompakt si një hot-dog ose një rrotull i gjatë sushi. Në këtë mënyrë, materialet 2D ende kontaktojnë njëri-tjetrin në një sekuencë të dëshiruar heterostrukture vertikale, ndërkohë që nuk shqetësoheni për skajet e tyre anësore, të gjitha mbështjella, gjë që është një punë e madhe për të prodhuar pajisje super të vogla.”
Studimi i ekipit, i botuar në ACS Nano, sugjeron që të gjitha materialet 2D mund të mblidhen në këto cilindra me heterostrukturë njëdimensionale, të njohur si hetero-nanotubë. Studiuesit e Universitetit të Tokios kohët e fundit fabrikuan elektroda në një hetero-nanotub dhe demonstruan se mund të funksionojë si një diodë jashtëzakonisht e vogël me performancë të lartë pavarësisht nga madhësia e saj.
“Diodat janë një lloj kryesor i pajisjeve që përdoren në optoelektronikë: ato janë thelbi i fotodetektorëve, qelizave diellore, pajisjeve që lëshojnë dritë, etj.,”- thotë Rotkin. “Në elektronikë, diodat përdoren në disa qarqe të specializuara; megjithëse elementi kryesor i elektronikës është një tranzitor, dy dioda, të lidhura njëra pas tjetrës, gjithashtu mund të shërbejnë si çelës.”
Kjo sjell një klasë të re të mundshme të materialeve për pajisje elektronike të miniaturizuara.
“Ajo sjell teknologjinë e pajisjeve të materialeve 2D në një nivel të ri, potencialisht duke mundësuar një brez të ri të pajisjeve elektronike dhe optoelektronike,”- thotë Rotkin.
Kontributi i Rotkin në projekt ishte të zgjidhte një detyrë veçanërisht sfiduese, e cila siguronte që ata të ishin në gjendje të bënin që cilindri me heterostrukturë njëdimensionale van der Vals të kishte të gjitha shtresat e kërkuara të materialit.
“Duke përdorur përsëri analogjinë e sanduiçit, ne duhet të dinim nëse kishim një “biftek viçi të pjekur” përgjatë gjithë gjatësisë së një sanduiçi cilindrik ose nëse kishte zona ku kemi vetëm “bukë dhe sallatë”,”- thotë Rotkin. “Mungesa e një shtrese izoluese të mesme do të thoshte se kemi dështuar në prodhimin e pajisjes. Metoda ime tregoi qartë se shtresat e mesme ishin aty në të gjithë gjatësinë e pajisjes.”
Në heterostrukturat e rregullta, të rrafshëta van der Vals, konfirmimi i ekzistencës ose mungesës së disa shtresave mund të bëhet lehtë sepse ato janë të sheshta dhe kanë një sipërfaqe të madhe. Kjo do të thotë që një studiues mund të përdorë lloje të ndryshme të mikroskopive për të mbledhur shumë sinjale nga zona të mëdha dhe të sheshta, kështu që ato janë lehtësisht të dukshme. Kur studiuesit i mbështjellin ato, si në rastin e një heterostrukture një-dimensionale van der Vals, ai bëhet një cilindër shumë i hollë si tel që është i vështirë për t’u karakterizuar sepse jep sinjal të dobët dhe bëhet praktikisht është i padukshëm. Për më tepër, për të provuar ekzistencën e një shtrese izoluese në kryqëzimin gjysmëpërçues-izolator-gjysmëpërçues të diodës, duhet të zgjidhet jo vetëm shtresa e jashtme e hetero-nanotubit por ajo e mesme, e cila është plotësisht nën hijen e shtresës së jashtme të një gjysmëpërçuesi sulfur molibden.
Për të zgjidhur këtë, Rotkin përdori një Mikroskop optik të Skanimit Pranë fushës që është pjesë e Konsorciumit 2D Crystal të Institutit të Kërkimit të Materialit, i cili mund të “shohë” objektet e shkallës nano dhe të përcaktojë vetitë optike të materialeve e tyre. Ai gjithashtu zhvilloi një metodë të veçantë të analizës së të dhënave të njohura si imazhe optike hiperspektrale me rezolucion të nanometrit, e cila mund të dallojë materiale të ndryshme dhe, kështu, të testojë strukturën e diodës një-dimensionale përgjatë gjithë gjatësisë së saj.
Sipas Rotkin, ky është demonstrimi i parë i rezolucionit optik të një skeleti gjashtëkëndësh të nitritit të borit (hBN) si pjesë e një hetero-nanotubi. Nanotubat shumë më të mëdhenj të pastër hBN, të përbërë nga shumë skelete hBN pa asnjë lloj tjetër materiali, u studiuan në të kaluarën me një mikroskop të ngjashëm.
“Sidoqoftë, imazhet e atyre materialeve janë krejt të ndryshme nga ato që kam bërë më parë,”- thotë Rotkin. “Rezultati i dobishëm është në demonstrimin e aftësisë sonë për të matur spektrin optik nga objekti, i cili është një shtresë e brendshme e një teli që është vetëm dy nanometra i trashë. Është e krahasueshme me ndryshimin midis të qenit në gjendje të shohësh një trung prej druri dhe të jesh në gjendje të njohësh një tub grafiti brenda lapsit përmes mureve të jashtme të lapsit.”
Rotkin planifikon të zgjerojë kërkimin e tij për të zgjeruar imazhin hiperspektral për të zbërthyer më mirë materialet e tjera, të tilla si qelqi, materiale të ndryshme 2D, proteina dhe viruse.
