Naši kolege Antonio Supina i Marko Kralj, u sklopu bilateralne suradnje s istraživačima iz Leobena, objavili su rad u visoko rangiranom časopisu npj 2D Materials and Applications. Studija pokazuje univerzalni pristup za proizvodnju visokokvalitetnih mreža nanovrpci sačinjenih od proizvoljnih 2D materijala.

Single-crystalline nanoribbon network field effect transistors from arbitrary two-dimensional materials

M. A. Aslam, T. H. Tran, A. Supina, O. Siri, V. Meunier, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Kralj, C. Teichert, E. Sheremet, R. D. Rodriguez, A. Matković, npj 2D Materials and Applications 6, 76 (2022)

DOI:  10.1038/s41699-022-00356-y

Grafenske nanovrpce (NRs) smatraju se poželjnim građevnim blokovima za obradu informacija u kvantnim i klasičnim elektroničkim uređajima. Grafenske NRs omogućuju razne funkcionalnosti uključujući podesivi poluvodički procjep, sposobnost prijenosa velike struje, dugačak srednji slobodni put, lokalizirani spin i topološka rubna stanja. Osim toga, NRs od drugih dvodimenzionalnih (2D) materijala mogu pokazivati svojstva specifična za rubove kao što su feromagnetizam, učinkovita kataliza i poboljšane sposobnosti detekcije. Štoviše, nedavna studija o MoS₂ NRs pokazala je njihov potencijal za spintroniku i kvantni transport. Razvoj NRs od različitih 2D materijala uvelike je vođen potrebama u nanoelektronici, gdje se trodimenzionalne (3D) sveobuhvatne arhitekture koje koriste nanocijevi, nanošipke ili nanovrpce, smatraju vjerojatnim rješenjem za izazove u skaliranju uređaja.

Rute kemijske sinteze, odnosno pristup ‘odozdo prema gore’, za preciznu pripremu NRs fokusiraju se gotovo isključivo na grafenske NRs, suočavajući se sa značajnim preprekama za razvoj složenijih 2D materijala ili NR-heterostruktura. S druge strane, pristupi koji se temelje na litografskim pristupima ‘odozgo prema dolje’, ne nude izravnu kontrolu nad poravnanjem ruba NRs s obzirom na smjerove visoke simetrije 2D materijala. Oni također uzrokuju kontaminacije i time degradiraju performanse i rad uređaja. U ovom radu suradnici s Montanuniversität Leoben, Politehničkog sveučilišta Tomsk, Sveučilišta Aix Marseille, Politehničkog instituta Rensselaer, Nacionalnog instituta za znanost o materijalima i Instituta za fiziku, bave se navedenim izazovima i demonstriraju univerzalnu metodu za izradu NRs od proizvoljnih 2D materijala, uključujući grafen, heksagonalni borov nitrid (hBN), dihalkogenide prijelaznih metala (TMDC) i kompleksnije nanovrpčaste heterostrukture širine od 6 do 100 nm.

Koncept ovog rada, ilustriran na slici 1, oslanja se na dobro istraženu epitaksiju uređenih organskih nanostruktura koje su sačinjene od pojedinačnih malih organskih molekula, kao što je 6P (para-seksifenil, šest fenilnih prstenova jednostruko povezanih na linearan način) ili DHTA7 (dihidrotetraazaheptacen , derivat oligoacena sa sedam prstenova sa skupinama koje sadrže dušik). Organske molekule rastu na 2D materijalima putem van der Waalsove (vdW) epitaksije. Naime, molekule na interfejsu s 2D materijalom zauzimaju ravnu orijentaciju i usklađuju svoje pi-mreže kako bi optimizirale vdW interakciju sa podlogom. To dovodi do samosastavljanja duž smjerova visoke simetrije 2D materijala, kako bi se oblikovale jednosmjerne nano-igle, koje se koriste kao maska kroz koju se 2D materijal jetka pomoću kisikove plazme. Konačni rezultat su kristalne nanovrpčaste mreže (NRN) 2D materijala s visokim omjerom ruba i površine i kontroliranim dominantnim kristalografskim smjerovima rubova.

Takvi NRNs su zatim dodatno istraženi i njihova električna svojstva su ispitana putem izravno proizvedenih tranzistora s efektom polja (FETs). Osim njihove inherentne monokristalne prirode, NRN-FET-ovi su dobiveni bez dodatnih koraka transfera materijala. Uređaji temeljeni na TMDC-NRN pokazuju izvanredna električna svojstva, uključujući WS₂ i WSe₂ nanovrpce. Uređaji temeljeni na NR grafena pokazali su feroelektrično prebacivanje zbog adsorpcije molekula vode na rubovima vrpce. Važno je naglasiti da ovdje predložena metoda omogućuje vrpce koje ne pate od velikog otpora čvorova između međusobno povezanih NR-ova, budući da su mreže ‘izrezbarene’ iz pojedinačnih kristala, što je potvrđeno in operando KPFM modom mikroskopa atomskih sila. Kako bi demonstrirali skalabilnost predloženih metoda i krajnju kontrolu nad smjerom ruba NR, autori su proizveli dominantne ‘armchair’ i ‘zigzag’ NRN-ove od MoS₂ ML velike površine dobivenog kemijskim taloženjem iz para (CVD). Konačno, proizvedeni su i hibridni mješovito-dimenzionalni sustavi ukrašavanjem rubova NRN plazmoničnim nanočesticama. Takav sustav pruža platformu za sljedeću generaciju optoelektroničkih i plazmoničkih senzorskih uređaja zahvaljujući fleksibilnosti koju pruža implementirana metoda za podešavanje veličine nanoribona i primjenjivosti procesa na heterostrukture i vertikalne p-n spojeve 2D materijala.