La synthèse récente des hétérostructures unidimensionnelles de van der Waals, un type d'hétérostructure réalisée par superposition de matériaux bidimensionnels d'une épaisseur d'un atome, peut conduire à de nouvelles, une électronique miniaturisée qui n'est actuellement pas possible, selon une équipe de chercheurs de Penn State et de l'Université de Tokyo.

Les ingénieurs produisent généralement des hétérostructures pour obtenir de nouvelles propriétés de dispositif qui ne sont pas disponibles dans un seul matériau. Une hétérostructure de van der Waals est constituée de matériaux 2D qui sont empilés directement les uns sur les autres comme des blocs Lego ou un sandwich. La force van der Waals, qui est une force d'attraction entre des molécules ou des atomes non chargés, maintient les matériaux ensemble.

Selon Slava V. Rotkin, Penn State Frontier professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique, l'hétérostructure de van der Waals unidimensionnelle produite par les chercheurs est différente des hétérostructures de van der Waals que les ingénieurs ont produites jusqu'à présent.

"Cela ressemble à une pile de matériaux en couches 2D qui sont enroulés dans un cylindre parfait, " dit Rotkin. " En d'autres termes, si tu roules un sandwich, vous gardez toutes les bonnes choses là où elles devraient être et ne vous déplacez pas, mais dans ce cas vous en faites aussi un cylindre mince, très compact comme un hot-dog ou un long rouleau de sushi. De cette façon, les matériaux 2D sont toujours en contact les uns avec les autres dans une séquence d'hétérostructure verticale souhaitée sans qu'il soit nécessaire de se soucier de leurs bords latéraux, tout enroulé, ce qui est un gros problème pour la fabrication de très petits appareils. "

Les recherches de l'équipe, Publié dans ACS Nano , suggère que tous les matériaux 2D pourraient être roulés dans ces cylindres d'hétérostructure unidimensionnels, appelés hétéro-nanotubes. Les chercheurs de l'Université de Tokyo ont récemment fabriqué des électrodes sur un hétéro-nanotube et démontré qu'il peut fonctionner comme une diode extrêmement petite avec des performances élevées malgré sa taille.

"Les diodes sont un type majeur de dispositif utilisé en optoélectronique - elles sont au cœur des photodétecteurs, cellules solaires, dispositifs émettant de la lumière, etc., " dit Rotkin. " En électronique, les diodes sont utilisées dans plusieurs circuits spécialisés; bien que l'élément principal de l'électronique soit un transistor, deux diodes, connecté dos à dos, peut servir d'interrupteur, trop."

Cela ouvre une nouvelle classe potentielle de matériaux pour l'électronique miniaturisée.

« Il amène la technologie des appareils des matériaux 2D à un nouveau niveau, permettant potentiellement une nouvelle génération de dispositifs électroniques et optoélectroniques, " dit Rotkin.

La contribution de Rotkin au projet était de résoudre une tâche particulièrement difficile, ce qui garantissait qu'ils étaient capables de faire en sorte que le cylindre à hétérostructure de van der Waals unidimensionnel ait toutes les couches de matériaux requises.

"En utilisant à nouveau l'analogie du sandwich, nous avions besoin de savoir si nous avions une coquille de 'rosbif' sur toute la longueur d'un sandwich cylindrique ou s'il y avait des régions où l'on n'avait que des coquilles de 'pain' et de 'salade', " a déclaré Rotkin. " L'absence d'une couche isolante intermédiaire signifierait que nous avons échoué dans la synthèse de l'appareil. Ma méthode montrait explicitement que les coques du milieu étaient toutes présentes sur toute la longueur de l'appareil."

En régulier, hétérostructures plates de van der Waals, confirmer l'existence ou l'absence de certaines couches peut être fait facilement car elles sont plates et ont une grande surface. Cela signifie qu'un chercheur peut utiliser différents types de microscopies pour collecter un grand nombre de signaux provenant des grands, zones plates, ils sont donc facilement visibles. Lorsque les chercheurs les enroulent, comme dans le cas d'une hétérostructure de van der Waals unidimensionnelle, il devient un cylindre filiforme très fin, difficile à caractériser car il émet peu de signal et devient pratiquement invisible. En outre, afin de prouver l'existence d'une couche isolante dans la jonction semi-conducteur-isolant-semi-conducteur de la diode, il faut résoudre non seulement l'enveloppe extérieure de l'hétéro-nanotube mais celle du milieu, qui est complètement ombragé par les enveloppes externes d'un semi-conducteur de sulfure de molybdène.

Pour résoudre cela, Rotkin a utilisé un microscope optique à champ proche à diffusion qui fait partie du Consortium 2D Crystal du Material Research Institute, qui peuvent "voir" les objets de taille nanométrique et déterminer les propriétés optiques de leurs matériaux. Il a également développé une méthode spéciale d'analyse des données connue sous le nom d'imagerie optique hyperspectrale avec une résolution nanométrique, qui peut distinguer différents matériaux et, Donc, tester la structure de la diode unidimensionnelle sur toute sa longueur.

Selon Rotkin, il s'agit de la première démonstration de la résolution optique d'une coque en nitrure de bore hexagonal (hBN) en tant que partie d'un hétéro-nanotube. Nanotubes purs hBN beaucoup plus gros, constitué de nombreuses coques de hBN sans autre type de matériau, ont été étudiés dans le passé avec un microscope similaire.

"Toutefois, l'imagerie de ces matériaux est assez différente de ce que j'ai fait auparavant, " a déclaré Rotkin. " Le résultat bénéfique réside dans la démonstration de notre capacité à mesurer le spectre optique de l'objet, qui est une enveloppe intérieure d'un fil de seulement deux nanomètres d'épaisseur. C'est comparable à la différence entre être capable de voir une bûche de bois et être capable de reconnaître un bâton de graphite à l'intérieur du crayon à travers les parois du crayon."

Rotkin prévoit d'étendre ses recherches pour étendre l'imagerie hyperspectrale afin de mieux résoudre d'autres matériaux, comme le verre, divers matériaux 2D, et les tubules protéiques et les virus.

"C'est une nouvelle technique qui va conduire à, avec un peu de chance, de futures découvertes en cours, " dit Rotkin.