Den senaste syntesen av endimensionella van der Waals heterostrukturer, en typ av heterostruktur gjord genom att skikta tvådimensionella material som är en atom tjocka, kan leda till nya, miniatyriserad elektronik som för närvarande inte är möjlig, enligt ett team av forskare från Penn State och University of Tokyo.

Ingenjörer producerar vanligtvis heterostrukturer för att uppnå nya enhetsegenskaper som inte är tillgängliga i ett enda material. En van der Waals heterostruktur är en gjord av 2D-material som staplas direkt ovanpå varandra som legoklossar eller en smörgås. Van der Waals styrka, som är en attraktionskraft mellan oladdade molekyler eller atomer, håller ihop materialen.

Enligt Slava V. Rotkin, Penn State Frontier professor i ingenjörsvetenskap och mekanik, den endimensionella van der Waals-heterostrukturen som producerats av forskarna skiljer sig från de van der Waals-heterostrukturer som ingenjörer hittills har producerat.

"Det ser ut som en stapel av 2D-lagermaterial som rullas ihop i en perfekt cylinder, " sa Rotkin. "Med andra ord, om du rullar ihop en smörgås, du förvarar alla bra saker i den där den ska vara och inte rör sig, men i det här fallet gör du det också till en tunn cylinder, mycket kompakt som en varmkorv eller en lång sushirulle. På det här sättet, 2D-materialen kontaktar fortfarande varandra i en önskad vertikal heterostruktursekvens medan man inte behöver oroa sig för deras laterala kanter, allt ihoprullat, vilket är en stor sak för att göra supersmå enheter."

Teamets forskning, publiceras i ACS Nano , föreslår att allt 2D-material skulle kunna rullas in i dessa endimensionella heterostrukturcylindrar, kallas hetero-nanorör. Universitetet i Tokyos forskare tillverkade nyligen elektroder på ett hetero-nanorör och visade att det kan fungera som en extremt liten diod med hög prestanda trots sin storlek.

"Dioder är en viktig typ av enhet som används inom optoelektronik - de är i kärnan av fotodetektorer, solceller, ljusavgivande anordningar, etc., " sa Rotkin. "Inom elektronik, dioder används i flera specialiserade kretsar; även om huvudelementet i elektronik är en transistor, två dioder, ansluten rygg mot rygg, kan fungera som en switch, för."

Detta öppnar en potentiell ny klass av material för miniatyriserad elektronik.

"Det tar enhetsteknologi av 2D-material till en ny nivå, potentiellt möjliggöra en ny generation av både elektroniska och optoelektroniska enheter, sa Rotkin.

Rotkins bidrag till projektet var att lösa en särskilt utmanande uppgift, vilket säkerställde att de kunde få den endimensionella van der Waals heterostrukturcylindern att ha alla nödvändiga materiallager.

"Använder smörgåsanalogin igen, vi behövde veta om vi hade ett skal av "rostbiff" längs hela längden av en cylindrisk smörgås eller om det fanns regioner där vi bara har "bröd" och "salladsskal", ", sa Rotkin. "Frånvaro av ett mellanisolerande lager skulle innebära att vi misslyckades med syntes av enheter. Min metod visade uttryckligen att mittskalen fanns där längs hela enhetens längd."

I vanliga, platta van der Waals heterostrukturer, att bekräfta existens eller frånvaro av vissa lager kan enkelt göras eftersom de är platta och har en stor yta. Detta innebär att en forskare kan använda olika typer av mikroskopier för att samla in mycket signal från de stora, platta områden, så att de är lätta att se. När forskare rullar upp dem, som i fallet med en endimensionell van der Waals heterostruktur, det blir en mycket tunn trådliknande cylinder som är svår att karakterisera eftersom den avger liten signal och blir praktiskt taget osynlig. Dessutom, för att bevisa förekomsten av ett isolerande skikt i diodens halvledare-isolator-halvledarövergång, man måste lösa inte bara det yttre skalet på heteroananoröret utan det mellersta, som helt skuggas av de yttre skalen av en molybdensulfidhalvledare.

För att lösa detta, Rotkin använde ett scattering Scanning Near-field Optical Microscope som är en del av Material Research Institutes 2D Crystal Consortium, som kan "se" objekt av nanoskala storlek och bestämma deras material optiska egenskaper. Han utvecklade också en speciell metod för analys av data som kallas hyperspektral optisk avbildning med nanometerupplösning, som kan särskilja olika material och, Således, testa strukturen för den endimensionella dioden längs hela dess längd.

Enligt Rotkin, detta är den första demonstrationen av optisk upplösning av ett hexagonalt bornitrid (hBN)-skal som en del av ett hetero-nanorör. Mycket större rena hBN nanorör, bestående av många skal av hBN utan andra typer av material, studerades tidigare med ett liknande mikroskop.

"Dock, avbildning av dessa material är helt annorlunda än vad jag har gjort tidigare, ", sa Rotkin. "Det fördelaktiga resultatet är demonstrationen av vår förmåga att mäta det optiska spektrumet från objektet, som är ett inre skal av en tråd som bara är två nanometer tjock. Det är jämförbart med skillnaden mellan att kunna se en trästock och att kunna känna igen en grafitpinne inuti pennan genom pennans väggar."

Rotkin planerar att utöka sin forskning för att utöka hyperspektral avbildning för att bättre lösa andra material, som glas, olika 2D-material, och proteintubuli och virus.

"Det är en ny teknik som kommer att leda till, förhoppningsvis, framtida upptäckter som händer, sa Rotkin.