Elektroniskt ledande tvådimensionella (2D) material är för närvarande heta forskningsämnen inom både fysik och kemi på grund av deras unika egenskaper som har potential att öppna nya vägar inom vetenskap och teknik. Dessutom utökar kombinationen av olika 2D-material, kallade heterostrukturer, mångfalden av deras elektriska, fotokemiska och magnetiska egenskaper. Detta kan leda till innovativa elektroniska enheter som inte kan uppnås med enbart ett enda material.
Heterostrukturer kan tillverkas på två sätt:vertikalt, med material staplade ovanpå varandra, eller lateralt, där material staplas sida vid sida i samma plan. Sidoarrangemang erbjuder en speciell fördel, begränsar laddningsbärare till ett enda plan och banar väg för exceptionella "i-plane" elektroniska enheter. Konstruktionen av laterala korsningar är dock utmanande.
I detta avseende är det lovande att genomföra 2D-material gjorda med hjälp av organiska material, kallade "koordination nanosheets". De kan skapas genom att kombinera metaller och ligander, allt från de med metalliska egenskaper som grafen och halvledande egenskaper som övergångsmetalldikalkogenider till de som har isolerande egenskaper som bornitrid.
Dessa nanosheets möjliggör en unik metod som kallas transmetallering. Detta möjliggör syntes av laterala heterostrukturer med "heterojunctions", som inte kan uppnås genom direkt reaktion. Heterojunctions är gränssnitt mellan två material som har distinkta elektroniska egenskaper och därför kan fungera som elektroniska enheter.
Dessutom kan nya elektroniska egenskaper som har varit svåra att uppnå med konventionella 2D-material skapas genom att använda heterojunctions av koordinerade nanosheets. Trots dessa fördelar är forskningen om transmetallering som en metod för att tillverka heterostrukturer fortfarande begränsad.
För att komma till rätta med denna kunskapslucka använde ett team av forskare från Japan, ledd av professor Hiroshi Nishihara från Research Institute for Science and Technology vid Tokyo University of Science (TUS), Japan, sekventiell transmetallering för att syntetisera laterala heterojunctions av Zn3 BHT-koordination nanoblad.
I teamet ingick Dr. Choon Meng Tan, biträdande professor Naoya Fukui, biträdande professor Kenji Takada och biträdande professor Hiroaki Maeda, också från TUS. Studien, en gemensam forskningsinsats av TUS, University of Cambridge, National Institute for Materials Science (NIMS), Kyoto Institute of Technology och Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), publicerades i tidskriften Angewandte Chemie International Edition den 5 januari 2024.
Teamet tillverkade och karakteriserade först Zn3 BHT-koordination nanoblad. Därefter undersökte de transmetallering av Zn3 BHT med koppar och järn. Prof. Nishihara förklarar, "Via sekventiell och rumsligt begränsad nedsänkning av nanoskivan i vattenhaltiga koppar- och järnjonlösningar under milda förhållanden, tillverkade vi enkelt heterostrukturer med heteroövergångar i planet av transmetallerade järn- och kopparnanoskivor."
Denna metod är en lösningsprocess vid rumstemperatur och atmosfärstryck, från tillverkning av koordinerade nanoark till tillverkning av heteroövergångar i planet. Denna process skiljer sig helt från den högtemperatur-, vakuum-, gasfasprocess som används i litografiteknik för kiselhalvledare.
Det är en enkel och billig process som inte kräver stor utrustning. Utmaningen är hur man skapar högkristallina tunna filmer som är fria från föroreningar. Om rena rum och högrenade reagens finns tillgängliga kommer kommersiellt gångbara tillverkningstekniker snart att uppnås.
Den resulterande sömlösa heteroövergången som erhållits av forskarna visade korrigerande beteende som är vanligt i elektroniska kretsar. Att testa diodens egenskaper avslöjade mångsidigheten hos Zn3 BHT-koordination nanoblad. Dessa egenskaper kan enkelt ändras utan någon speciell utrustning. Dessutom möjliggör detta material tillverkning av en integrerad krets från endast ett enda koordinationsark, utan lapptäcken från olika material.
Prof. Nishihara säger, "Ultratina (nanometertjocka) likriktande element erhållna från vår metod kommer att vara mycket användbara för tillverkning av ultrastorskaliga integrerade kretsar. Samtidigt kan de unika fysikaliska egenskaperna hos monoatomiska skiktfilmer med heteroövergångar i planet leda till utvecklingen av nya element."
Vidare, genom att använda denna transmetalleringsreaktion, är det möjligt att skapa kopplingar med olika elektroniska egenskaper, såsom p–n, MIM (metall–isolator–metall) och MIS (metall–isolator–halvledare) kopplingar. Möjligheten att binda enskikts topologiska isolatorer kommer också att möjliggöra nya elektroniska enheter som elektrondelare och flernivåenheter som bara har förutspåtts teoretiskt.
Sammantaget presenterar denna studie en enkel men kraftfull teknik för att skapa laterala heterostrukturer, vilket markerar ett viktigt steg i 2D-materialforskning.
Mer information: Choon Meng Tan et al, Lateral Heterometal Junction Rectifier Fabricated by Sequential Transmetallation of Coordination Nanosheet, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202318181
Tillhandahålls av Tokyo University of Science
