Diagram visar den platta strukturen av materialet som används av MIT-teamet, molybdendisulfid. Molybdenatomer visas i kricka, och svavelatomer i gult. Bild med tillstånd av Wang et al.
Upptäckten av grafen, ett material som bara är en atom tjockt och som har exceptionell styrka och andra nya egenskaper, startade en lavin av forskning kring dess användning för allt från elektronik till optik till konstruktionsmaterial. Men ny forskning tyder på att det bara var början:En hel familj av tvådimensionella material kan öppna upp ännu bredare möjligheter för tillämpningar som kan förändra många aspekter av det moderna livet.
Det senaste "nya" materialet, molybdendisulfid (MoS 2 ) — som faktiskt har använts i decennier, men inte i sin 2D-form — beskrevs först för bara ett år sedan av forskare i Schweiz. Men det året, forskare vid MIT - som kämpat i flera år för att bygga elektroniska kretsar av grafen med mycket begränsade resultat (förutom för radiofrekvensapplikationer) - har redan lyckats göra en mängd olika elektroniska komponenter från MoS 2 . De säger att materialet kan hjälpa till att inleda radikalt nya produkter, från hela väggar som lyser till kläder med inbyggd elektronik till glasögon med inbyggda bildskärmar.
En rapport om produktionen av komplexa elektroniska kretsar från det nya materialet publicerades online denna månad i tidningen Nanobokstäver ; tidningen är författad av Han Wang och Lili Yu, doktorander vid institutionen för elektroteknik och datavetenskap (EECS); Tomás Palacios, Emmanuel E. Landsman docent i EECS; och andra vid MIT och på andra håll.
Palacios säger att han tänker på grafen och MoS 2 är bara början på en ny värld av forskning om tvådimensionella material. "Det är den mest spännande tiden för elektronik under de senaste 20 eller 30 åren, " säger han. "Det öppnar upp dörren till en helt ny domän av elektroniska material och enheter."
Som grafen, i sig en 2D-form av grafit, molybdendisulfid har använts i många år som ett industriellt smörjmedel. Men det hade aldrig setts som en 2D-plattform för elektroniska enheter förrän förra året, när forskare vid det schweiziska universitetet EPFL producerade en transistor på materialet.
MIT-forskare gick snabbt in i handling:Yi-Hsien Lee, en postdoc i docent Jing Kongs grupp i EECS, hittat ett bra sätt att göra stora ark av materialet med en kemisk ångavsättningsprocess. Lee kom på denna metod när han arbetade med Lain-Jong Li på Academia Sinica i Taiwan och förbättrade den efter att ha kommit till MIT. Palacios, Wang och Yu började sedan tillverka byggstenar av elektroniska kretsar på arken gjorda av Lee, samt på MoS 2 flingor framställda med en mekanisk metod, som användes för det arbete som beskrivs i den nya tidningen.
En optisk mikroskopbild visar en komplex integrerad krets, kallas en JK flip-flop-krets, en grundläggande logisk enhet, gjord på en bit molybdendisulfid av MIT-teamet. Bild med tillstånd av Wang et al.
Wang hade kämpat för att bygga kretsar på grafen för sin doktorsavhandling, men tyckte att det var mycket lättare att göra med det nya materialet. Det fanns en "rejäl flaskhals" för att göra framsteg med grafen, han förklarar, eftersom det materialet saknar ett bandgap - nyckelegenskapen som gör det möjligt att skapa transistorer, den grundläggande komponenten i logik och minneskretsar. Medan grafen måste modifieras på krävande sätt för att skapa ett bandgap, MoS 2 kommer bara naturligt med en.
Avsaknaden av ett bandgap, Wang förklarar, betyder att med en omkopplare gjord av grafen, "du kan slå på den, men du kan inte stänga av den. Det betyder att du inte kan göra digital logik." Så människor har i flera år letat efter ett material som delar några av grafens extraordinära egenskaper, men har också denna saknade kvalitet - som molybdendisulfid gör.
Eftersom det redan tillverkas i stor utsträckning som smörjmedel, och tack vare pågående arbete vid MIT och andra labb med att göra det till stora ark, att skala upp produktionen av materialet för praktiskt bruk borde vara mycket enklare än med andra nya material, säger Wang och Palacios.
Wang och Palacios kunde tillverka en mängd olika grundläggande elektroniska enheter på materialet:en växelriktare, som växlar en ingångsspänning till dess motsats; en NAND-grind, ett grundläggande logiskt element som kan kombineras för att utföra nästan vilken typ av logisk operation som helst; en minnesenhet, en av nyckelkomponenterna i alla beräkningsenheter; och en mer komplex krets som kallas en ringoscillator, består av 12 sammankopplade transistorer, som kan producera en exakt avstämd vågutgång.
Palacios säger att en potentiell tillämpning av det nya materialet är storbildsskärmar som tv-apparater och datorskärmar, där en separat transistor styr varje pixel på skärmen. Eftersom materialet bara är en molekyl tjockt - till skillnad från det mycket renade kisel som används för konventionella transistorer och måste vara miljontals atomer tjockt - skulle även en mycket stor display bara använda en oändligt liten mängd av råvarorna. Detta kan potentiellt minska kostnader och vikt och förbättra energieffektiviteten.
I framtiden, det kan också möjliggöra helt nya typer av enheter. Materialet kan användas, i kombination med andra 2D-material, att göra ljusavgivande anordningar. Istället för att producera en punktljuskälla från en glödlampa, en hel vägg kan fås att lysa, producerar mjukare, mindre starkt ljus. Liknande, antennen och andra kretsar i en mobiltelefon kan vävas in i tyg, ger en mycket känsligare antenn som behöver mindre ström och som kan integreras i kläder, säger Palacios.
Materialet är så tunt att det är helt genomskinligt, och det kan deponeras på praktiskt taget vilket annat material som helst. Till exempel, MoS 2 kan appliceras på glas, producera skärmar inbyggda i ett par glasögon eller fönstret i ett hus eller kontor.
Ali Javey, en docent i elektroteknik och datavetenskap vid University of California i Berkeley, som inte var involverad i denna forskning, säger skiktade material som MoS 2 är "en lovande klass av material för framtida elektronik, " men varnar för att "framtiden ser ljus ut för skiktade halvledare, men fortfarande måste arbete göras för att bättre förstå deras prestandagränser och storskalig tillverkning."
Övergripande, Javey säger, MIT-teamets forskning är "elegant" arbete som "tar ett viktigt steg framåt för att avancera området för skiktade halvledare."
Förutom Palacios, Kong, Wang, Yu och Lee, arbetet utfördes av doktoranden Allen Hsu och MIT affiliate Yumeng Shi, med forskarna Matthew Chin och Madan Dubey från U.S. Army Research Laboratory, och Lain-Jong Li från Academia Sinica i Taiwan. Arbetet finansierades av U.S. Office of Naval Research, Microelectronics Advanced Research Corporation Focus Center for Materials, National Science Foundation och Army Research Laboratory.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
