Недавний синтез одномерных ван-дер-ваальсовых гетероструктур, типа гетероструктур, созданных путем наслаивания двумерных материалов толщиной в один атом, может привести к созданию новой миниатюрной электроники, что в настоящее время невозможно, по мнению команды исследователей Токийского университета.

Инженеры обычно создают гетероструктуры для достижения новых свойств устройства, недоступных для одного материала. Гетероструктура Ван-дер-Ваальса состоит из двухмерных материалов, которые уложены друг на друга, как блоки Lego или сэндвич. Сила Ван-дер-Ваальса, которая является силой притяжения между незаряженными молекулами или атомами, удерживает материалы вместе.

По словам Славы В. Роткина, профессора технических наук и механики из Пенсильвании, одномерная ван-дер-ваальсовая гетероструктура, созданная исследователями, отличается от ван-дер-ваальсовых гетероструктур, созданных инженерами до сих пор.

«Это похоже на стопку двухмерных слоистых материалов, свернутых в идеальный цилиндр», — сказал Роткин. «Таким образом, 2D-материалы все еще контактируют друг с другом в желаемой последовательности вертикальной гетероструктуры, в то время как не нужно беспокоиться об их боковых краях, которые все свернуты, что является большим делом для создания сверхмалых устройств».

Исследование команды, опубликованное в ACS Nano, предполагает, что все 2D-материалы можно свернуть в эти одномерные гетероструктурные цилиндры, известные как гетеронанотрубки. Исследователи из Токийского университета недавно изготовили электроды на гетеронанотрубке и продемонстрировали, что он может работать как чрезвычайно маленький диод с высокими характеристиками, несмотря на его размер.

«Диоды — это основной тип устройств, используемых в оптоэлектронике, они лежат в основе фотодетекторов, солнечных элементов, светоизлучающих устройств и т. д.», — сказал Роткин. «В электронике диоды используются в нескольких специализированных схемах; хотя основным элементом электроники является транзистор, два диода, соединенные друг с другом, могут также служить переключателем».

Это открывает потенциально новый класс материалов для миниатюрной электроники».

«Он выводит технологию устройств из 2D-материалов на новый уровень, потенциально позволяя создавать как электронные, так и оптоэлектронные устройства нового поколения», — сказал Роткин.

Вклад Роткина в проект заключался в решении особенно сложной задачи, заключающейся в том, чтобы обеспечить возможность создания одномерного цилиндра с гетероструктурой Ван-дер-Ваальса со всеми необходимыми слоями материала.

«Снова используя аналогию с сэндвичем, нам нужно было знать, есть ли у нас оболочка из «ростбифа» по всей длине цилиндрического сэндвича или есть регионы, где у нас есть только «хлеб» и «салатные оболочки», — сказал Роткин. «Отсутствие среднего изолирующего слоя означало бы, что мы потерпели неудачу в синтезе устройства. Мой метод явно показал, что средние оболочки присутствовали по всей длине устройства».

В обычных плоских гетероструктурах Ван-дер-Ваальса подтверждение наличия или отсутствия некоторых слоев может быть легко выполнено, поскольку они плоские и имеют большую площадь. Это означает, что исследователь может использовать микроскопы различного типа для сбора большого количества сигналов с больших плоских участков, чтобы они были хорошо видны. Когда исследователи сворачивают их, как в случае одномерной гетероструктуры Ван-дер-Ваальса, она становится очень тонким проволочным цилиндром, который трудно охарактеризовать, поскольку он излучает слабый сигнал и становится практически невидимым. Кроме того, чтобы доказать наличие изолирующего слоя в переходе полупроводник-изолятор-полупроводник диода, необходимо разрешить не только внешнюю оболочку гетеронанотрубки, но и среднюю, которая полностью затеняется внешней оболочкой. оболочки из полупроводника сульфида молибдена.

Чтобы решить эту проблему, Роткин использовал сканирующий ближнепольный оптический микроскоп, входящий в состав Консорциума 2D-кристаллов Института исследования материалов, который может «видеть» объекты наноразмерных размеров и определять оптические свойства их материалов. Он также разработал специальный метод анализа данных, известный как гиперспектральная оптическая визуализация с нанометровым разрешением, который позволяет различать различные материалы и, таким образом, проверять структуру одномерного диода по всей его длине.

По словам Роткина, это первая демонстрация оптического разрешения оболочки гексагонального нитрида бора (hBN) в составе гетеронанотрубки. В прошлом с помощью аналогичного микроскопа изучались гораздо более крупные нанотрубки из чистого hBN, состоящие из множества оболочек hBN без каких-либо других материалов.

«Однако визуализация этих материалов сильно отличается от того, что я делал раньше», — сказал Роткин. «Благоприятный результат заключается в демонстрации нашей способности измерять оптический спектр от объекта, который представляет собой внутреннюю оболочку провода толщиной всего два нанометра. Это сравнимо с разницей между возможностью видеть деревянное бревно и тем, что в состоянии распознать графитовую палочку внутри карандаша сквозь стенки карандаша».

Роткин планирует расширить свои исследования, чтобы расширить гиперспектральные изображения для лучшего разрешения других материалов, таких как стекло, различные 2D-материалы, белковые канальцы и вирусы.

«Это новый метод, который, как мы надеемся, приведет к будущим открытиям», — сказал Роткин.