类似寿司的轧制二维异质结构可能会导致新的小型化电子产品

宾夕法尼亚州立大学和宾夕法尼亚州立大学的一个团队表示,最近一维范德华异质结构的合成,一种通过分层一个原子厚的二维材料制成的异质结构,可能会导致目前无法实现的新型微型电子设备。东京大学研究人员。

工程师通常会生产异质结构,以实现单一材料所不具备的新器件特性。范德华异质结构是一种由 2D 材料制成的异质结构,它们直接堆叠在彼此的顶部,如乐高积木或三明治。范德华力是不带电分子或原子之间的吸引力,将材料结合在一起。

根据宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学前沿教授 Slava V. Rotkin 的说法,研究人员生产的一维范德瓦尔斯异质结构与工程师迄今为止生产的范德瓦尔斯异质结构不同。

“它看起来就像一堆 2D 分层材料,它们卷成一个完美的圆柱体,”Rotkin 说。“换句话说,如果你卷起一个三明治,你会把所有的好东西都放在它应该放在的地方,而不是四处移动,但在这种情况下,你也会把它做成一个薄圆柱体,非常紧凑,就像一个热狗或一个长寿司卷。通过这种方式,二维材料仍然以所需的垂直异质结构序列相互接触,而无需担心它们的横向边缘,全部卷起,这对于制造超小型设备来说是一件大事。”

该团队的研究发表在ACS Nano 上,表明所有 2D 材料都可以卷成这些一维异质结构圆柱体,称为异质纳米管。东京大学的研究人员最近在异质纳米管上制造了电极,并证明它可以作为一个极小的二极管工作,尽管它的尺寸很大,但具有高性能。

“二极管是光电子学中使用的主要器件类型——它们是光电探测器、太阳能电池、发光器件等的核心,”Rotkin 说。“在电子产品中,二极管用于多种专用电路;虽然电子产品的主要元件是一个晶体管,但两个背对背连接的二极管也可以用作开关。”

这为微型电子产品开辟了一类潜在的新型材料。

“它将二维材料的器件技术提升到一个新的水平,有可能实现新一代电子和光电器件,”Rotkin 说。

Rotkin 对该项目的贡献是解决了一项特别具有挑战性的任务,即确保他们能够使一维范德华异质结构圆柱体具有所有所需的材料层。

“再次使用三明治类比,我们需要知道我们是否在圆柱形三明治的整个长度上都有一个‘烤牛肉’壳,或者是否有我们只有‘面包’和‘生菜’壳的区域,”罗特金说. “没有中间绝缘层意味着我们在设备合成方面失败了。我的方法确实明确表明中间壳沿着设备的整个长度都在那里。”

在常规、平坦的范德华异质结构中,可以轻松确认某些层的存在或不存在,因为它们是平坦的并且具有大面积。这意味着研究人员可以使用各种类型的显微镜从大而平坦的区域收集大量信号,因此它们很容易被看到。当研究人员将它们卷起来时,就像一维范德瓦尔斯异质结构的情况一样,它变成了一个非常细的线状圆柱体,很难表征,因为它发出的信号很少,而且几乎不可见。此外,为了证明二极管的半导体-绝缘体-半导体结中存在绝缘层,不仅需要解析异质纳米管的外壳,还需要解析中间的,它完全被外部遮蔽。硫化钼半导体的壳层。

为了解决这个问题,Rotkin 使用了散射扫描近场光学显微镜,该显微镜是材料研究所 2D 晶体联盟的一部分,可以“看到”纳米级尺寸的物体并确定它们的材料光学特性。他还开发了一种特殊的数据分析方法,称为具有纳米分辨率的高光谱光学成像,可以区分不同的材料,从而沿其整个长度测试一维二极管的结构。

根据 Rotkin 的说法,这是作为异质纳米管一部分的六方氮化硼 (hBN) 壳的光学分辨率的首次演示。过去用类似的显微镜研究了更大的纯 hBN 纳米管,由许多 hBN 壳组成,没有其他类型的材料。

“然而,这些材料的成像与我以前所做的完全不同,”罗特金说。“有益的结果是证明了我们有能力测量物体的光谱,物体是只有两纳米厚的电线的内壳。这与能够看到木头和看到木头之间的差异相当能够通过铅笔壁识别铅笔内部的石墨棒。”

Rotkin 计划扩展他的研究,以扩展高光谱成像以更好地解析其他材料,例如玻璃、各种 2D 材料以及蛋白质小管和病毒。

“这是一种新技术,有望导致未来的发现发生,”罗特金说。

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