Creando nanoconductores de metal ultrafino

Investigadores en Japón haber visto átomos individuales reorganizarse durante la fase de transición semiconductor-metal enmolibdenita (MoS ₂ ) -un material de grafeno como que puede tener hojas de tan solo una sola molécula de espesor. Hasta ahora, se pensaba que este tipo de transiciones de fase de movimientos como algo colectivo de los átomos, pero las nuevas observaciones muestran que los movimientos átomo por átomo están presentes. El resultado podría proporcionar información importante a los investigadores que tratan de crear dispositivos electrónicos de una sola hoja de MoS ₂ .

La molibdenita es un semiconductor de banda directa 2D que resulta prometedor para su uso en electrónica y dispositivos optoelectrónicos. La movilidad de sus portadores de carga eléctrica es mayor que 100 cm ² / Vs (y podría ser tan alta como 500 cm ² / Vs) – valores similares al silicio. Es un sólido “de van der Waals”, lo que significa que comprende planos 2D robustos débilmente unidos entre sí para formar una estructura en capas 3D parecida al grafito. Esto significa que la molibdenita es estable en una gran variedad de sustratos -incluso los transparentes o de plástico. La molibdenita de una sola capa tiene sólo alrededor de 0,65 nm de espesor, lo que significa que se puede utilizar para crear transistores muy delgados.

Una propiedad importante de la molibdenita es su polimorfismo: tiene diferentes características electrónicas dependiendo de la estructura cristalina de las capas. Es un semiconductor cuando el azufre y molibdeno están dispuestos en una estructura prismática trigonal y es un metal cuando los átomos asumen una estructura octaédrica. Ambas fases estructurales pueden ser consideradas como un plano central de átomos de molibdeno en sándwich entre dos planos de átomos de azufre. Se creía que las transiciones de fase que se producen cuando las capas se deslizan entre sí – pero esa transformación no se habían observado directamente en un experimento.

Ahora, un equipo dirigido por Kazu Suenaga del Instituto Nacional de Ciencia Industrial Avanzada y Tecnología (AIST) en Tsukuba ha mostrado que deslizar planos atómicos en la molibdenita causa una nueva fase en el material. Utilizando un microscopio de transmisión electrónica de barrido (STEM), el grupo también ha descubierto las fases intermedias que se producen durante la transición.

El proceso de transición puede ser activado por el calor de un haz de electrones de STEM. La irradiación del haz de electrones introduce un dominio metálico muy pequeño en la fase de semiconductores, que comienza a poner en marcha la transición de fase, explica Sureaga. Este proceso podría ser utilizado como una manera  de inducir transiciones de fase en la molibdenita y materiales ultrafinos similares.

“Nuestro resultado implica que los dispositivos electrónicos, como nanodiodos, podrían hacerse” en capas “en lugar de a través del conjunto de capas con propiedades distintas, lo cual es la forma convencional de hacerlo” dice Sureaga. “Hacer nanodispositivos utilizando procesos ascendentes no es una tarea fácil, pero demuestra que simples patrones de haz de electrones puede introducir dominios a nanoescala, con propiedades electrónicas metálicas distintas dentro de una matriz semiconductora de una sola capa. Podemos hacer estructuras con precisión a escala atómica e incluso monitorear cómo el dispositivo crece in situ , gracias a las observaciones en la matriz”.

De hecho, los investigadores dicen que ya han producido prototipos de varios nanodispositivos utilizando su técnica. Por ejemplo, se hizo una unión de serie de fases de semiconductores y metálicos, que es a todos los efectos, un diodo Schottky. También se las arreglaron para producir una región local de semiconductores entre dos electrodos metálicos para formar un transistor de escala nanométrica. También han creado una región de forma triangular pequeño de metal dentro de un hoja de semiconductores de molibdenita que puede funcionar como un punto cuántico.

La investigación se describe en Nature Nanotechnology

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