Nanomaterial kan utgöra grunden för många nya tekniker, inklusive extremt små, flexibel, och transparent elektronik.

Medan många nanomaterial uppvisar lovande elektroniska egenskaper, forskare och ingenjörer arbetar fortfarande för att bäst integrera dessa material tillsammans för att så småningom skapa halvledare och kretsar med dem.

Northwestern Engineering forskare har skapat tvådimensionella (2-D) heterostrukturer från två av dessa material, grafen och borofen, ta ett viktigt steg mot att skapa integrerade kretsar från dessa nanomaterial.

"Om du skulle spricka upp en integrerad krets inuti en smartphone, du skulle se många olika material integrerade tillsammans, "sa Mark Hersam, Walter P. Murphy Professor i materialvetenskap och teknik, som ledde forskningen. "Dock, vi har nått gränserna för många av de traditionella materialen. Genom att integrera nanomaterial som borofen och grafen tillsammans, vi öppnar nya möjligheter inom nanoelektronik. "

Med stöd av Office for Naval Research och National Science Foundation, resultaten publicerades 11 oktober i tidningen Vetenskapliga framsteg . Förutom Hersam, tillämpad fysik Ph.D. studenten Xiaolong Liu var medförfattare till detta arbete.

Skapa en ny typ av heterostruktur

Varje integrerad krets innehåller många material som utför olika funktioner, som att leda elektricitet eller hålla komponenter elektriskt isolerade. Men medan transistorer i kretsar har blivit mindre och mindre - tack vare framsteg inom material och tillverkning - är de nära att nå gränsen för hur små de kan bli.

Ultratunna 2-D-material som grafen har potential att kringgå det problemet, men att integrera 2-D-material tillsammans är svårt. Dessa material är bara en atom tjock, så om de två materialens atomer inte är helt i linje, integrationen kommer sannolikt inte att lyckas. Tyvärr, de flesta 2-D-material matchar inte i atomskala, presenterar utmaningar för 2-D integrerade kretsar.

Borofen, 2-D-versionen av bor som Hersam och medarbetare först syntetiserade 2015, är polymorf, vilket innebär att den kan anta många olika strukturer och anpassa sig till sin miljö. Det gör den till en idealisk kandidat att kombinera med andra 2-D-material, som grafen.

För att testa om det var möjligt att integrera de två materialen i en enda heterostruktur, Hersams laboratorium odlade både grafen och borofen på samma substrat. De odlade grafen först, eftersom det växer vid en högre temperatur, sedan avsatt bor på samma substrat och låt det växa i regioner där det inte fanns någon grafen. Denna process resulterade i laterala gränssnitt där, på grund av borofens tillmötesgående natur, de två materialen sys ihop i atomskala.

Mätning av elektroniska övergångar

Labbet karakteriserade 2-D heterostrukturen med hjälp av ett skanningstunnelmikroskop och fann att den elektroniska övergången över gränssnittet var exceptionellt abrupt-vilket innebär att den kan vara idealisk för att skapa små elektroniska enheter.

"Dessa resultat tyder på att vi kan skapa enheter med ultrahög densitet längs vägen, "Sa Hersam. I slutändan, Hersam hoppas kunna uppnå alltmer komplexa 2-D-strukturer som leder till nya elektroniska enheter och kretsar. Han och hans team arbetar med att skapa ytterligare heterostrukturer med borofen, kombinerar det med ett ökande antal av de hundratals kända 2-D-material.

"Under de senaste 20 åren har nya material har möjliggjort miniatyrisering och motsvarande förbättrad prestanda inom transistorteknik, "sa han." Tvådimensionella material har potential att ta nästa steg. "