EPFL-forskare visade att det är möjligt att skapa en elektrisk kanal som är några få atomer breda inom tvådimensionella isoleringsmaterial. Deras simuleringar öppnar nya perspektiv för produktion av nya elektroniska och solcellsanordningar.
I de oändligt små, oväntade fenomen kan inträffa i gränsytan mellan två material när de kombineras på konstgjord väg. Vid EPFL har forskare visat att det är möjligt att generera en ledande kanal med en bredd på några atomer i kontaktzonen mellan olika ark av isoleringsmaterial. Detta jobb, precis publicerat i Naturkommunikation , kan möjliggöra skapandet av inte bara nya mikro- och nanoelektroniska enheter utan också en ny typ av solceller.
Tvådimensionella material
För att generera dessa små ledande kanaler, forskare studerade tvådimensionella material, det vill säga ark av material några atomer tjocka, ibland bara bestående av ett enda lager av atomer.
Som grafen, dessa material är sammansatta av atomer arrangerade i en hexagonal struktur, liknande celler som finns i bikupor. Skillnaden är att medan grafen är ledande och bara består av kolatomer, de tvådimensionella material som nämns i studien är isolerande och består av olika element.
Bland många möjligheter, forskare ansåg bornitrid (BN), som är sammansatt av två sorters atomer. I sitt naturliga tillstånd, ett "ark" av bornitrid fungerar som en isolator och kan därför inte leda elektrisk ström. Dock, tekniken, efter en liten kemisk modifiering, tillåter forskare att utveckla "leads" för ledande elektroner.
En protonsmörgås
Tillverkningen av den elektriska kanalen är en operation i två steg. Det görs genom att fixa en proton (dvs. en väteatom) på ett ark med bornitrid ovanför varje boratom (B) och en under varje kväveatom (N). Sålunda inklämd mellan väteatomerna, det "dekorerade" bornitridarket genererar en ledande kanal som är några atomer bred när den placeras i kontakt med en "orörd" skiva av BN. Den nya "tråden" som ligger vid gränssnittet mellan de två arken möjliggör exakt kontroll av elektronernas cirkulation när spänning appliceras. "Tat separat, det kemiskt modifierade arket och det tomma arket är inte ledande, säger Giovanni Pizzi, medförfattare till studien. "Det är bara genom att kombinera det ena med det andra som kanalen dyker upp."
Potentiella applikationer förknippade med dessa simuleringar är många. De nya ledande "trådarna" skulle särskilt kunna tjäna till att utveckla mer kompakta och kraftfulla mikro- och nanoelektroniska enheter. "Trådarna" som produceras av traditionell litografi faller inte under tjugo nanometer, vilket betyder minst hundra atomer, " säger Giovanni Pizzi. "Några atomer breda, vår tråd kan ansluta de olika processorerna i ett nanochip genom att ta mycket mindre plats än nuvarande ledningar. "
En ny modell av solcell
Tillämpningar relaterade till dessa små ledande kanaler kan också inkludera skapandet av en ny sorts ultratunn och flexibel solcell.
När materialet mönstrat med kanaler utsätts för solljus, elektroner som finns i den isolerande delen rör sig mot de ledande banorna. "För att få en elektrisk ström, då räcker det med att koppla ihop kanalerna, "förklarar Marco Gibertini, som också var medförfattare till studien.
Mot experimentella tester
EPFL-forskare hoppas nu att deras simuleringsarbete lockar uppmärksamhet hos specialister inom experimentområdet för att genomföra tester i verkliga miljöer. "I vår studie ger vi en enkel beräkning som forskare kan utföra för att se om ett givet material, efter kemisk modifiering, kommer att bilda dessa små trådar, " säger Marco Gibertini. "Vår idé bygger på tidigare resultat på 3D-material. Vi har också avsiktligt undersökt existerande experimentella material och tekniker. Detta bör underlätta experimentella tester, " han lägger till.
