(Phys.org)—En ny materialstruktur som förutspås vid Rice University erbjuder den lockande möjligheten till en signalväg som är mindre än nanotrådarna för avancerad elektronik som nu utvecklas hos Rice och på andra håll.

Teoretisk fysiker Boris Yakobson och postdoktor Xiaolong Zou undersökte egenskaperna i atomär skala hos tvådimensionella material när de till sin förvåning fann att en viss formation, en korngräns i metalldisulfider, skapar en metallisk – och därför ledande – bana som bara är en bråkdel av en nanometer bred.

Det är i princip bredden på en kedja av atomer, sa Yakobson.

Upptäckten rapporterades denna vecka i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver sprungit ur en undersökning av hur atomer energetiskt förhåller sig till varandra och bildar topologiska defekter i tvådimensionella halvledare. I det senaste arbetet, Yakobsons grupp har analyserat defekter i grafen, det enatomiga kolskiktet som är under intensiv granskning av laboratorier runt om i världen.

Men platt grafen har inget bandgap; elektroner strömmar rakt igenom. "Det är mycket ansträngning att öppna en lucka i grafen, men det här är inte lätt, sa Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap och professor i kemi. "Människor försöker på olika sätt, men ingen av dem är okomplicerad. Detta motiverade sökandet efter andra tvådimensionella material."

Molybden/svavel (eller volfram/svavel) material blir intressanta för forskare eftersom de har ett användbart naturligt bandgap, cirka två elektronvolt när det gäller molybden/svavel. Och även om de är tekniskt tvådimensionella material, energierna på spel tvingar sina atomer till ett förskjutet arrangemang.

"Det är mer komplext än grafen, " sa Yakobson. "Det finns ett lager av metall i mitten, med svavelatomer över och under, men de är helt förbundna med kovalenta bindningar i ett bikakenät, så det är en förening."

Kemisk ångavsättning används vanligtvis för att odla sådant material; under höga temperaturer faller atomerna (som kol för grafen) i linje och bildar ark. Men när två sådana blommor dyker upp och de möts, de ställer sig inte nödvändigtvis i linje. Där de smälter samman, de bildar vad som kallas "korngränser, " besläktad med korn i trä som sammanfogas i obekväma vinklar. (Tänk på en gren som möter en trädstam.) Dessa korngränser påverkar det sammanslagna materialets elektriska egenskaper.

Zou beräknade dessa egenskaper baserat på grundämnenas atomenergier. När man tittar på elementarbindningarna, forskarna hittade de förväntade "dislokationerna" där energierna tvingar ut atomer ur sina vanliga mönster. "Där lakanen möts, de kan inte ha en ideal gitterstruktur, så de har dessa stygn, luxationerna. Varje korngräns är bara en serie av dessa dislokationer, " sa Yakobson.

Det var bara en slump att dislokationerna antog dreidelliknande former för en tidning som publicerades under Hanukkah, han sa.

"Vi hittade ordning i denna komplexitet och kaos, de exakta strukturerna som är möjliga vid korngränserna och dislokationstyperna, " han sa.

De växande molybden/svavelplåtarna kan mötas i vilken vinkel som helst, och även om arken är halvledande, gränserna mellan dem stoppar i allmänhet elektriska signaler i deras spår. But at one particular angle—60 degrees—the periodic dislocations are close enough to pass signals on from one to the next along the length of the boundary. "I grund och botten, they're metallic in this direction, " sa Yakobson.

"So in the middle of these domains of semiconducting material, you have this boundary line that carries current in one direction, som en tråd. And it's only a few angstroms wide, " han sa.

"Metal disulfides may be promising for future electronic devices based on materials with reduced dimensions, " Zou said. "It is important to understand the effects of topological defects on the electronic properties as we push toward post-silicon devices."