寿司形状的结构可能会导致新的小型化电子产品

宾夕法尼亚州立大学和东京大学的研究人员团队表示，最近合成的一维范德华异质结构可能会导致目前不可能实现的微型化电子设备。

工程师经常制造异质结构来实现单一材料无法实现的新器件性能。范德华异质结构是由二维材料直接堆叠在一起，就像乐高积木或三明治一样。范德华力是一种不带电分子或原子之间的吸引力，它使材料结合在一起。

根据宾夕法尼亚州立大学工程科学和力学前沿教授Slava V. Rotkin的说法，研究人员生产的一维范德华异质结构与工程师迄今为止生产的范德华异质结构不同。

罗特金说:“它看起来就像一堆被卷成完美圆柱体的2d层状材料。”“换句话说，如果你把一个三明治卷起来，你把所有好的东西都放在它应该在的地方，而不是到处移动，但在这种情况下，你也把它做成一个薄圆柱体，非常紧凑，就像热狗或长寿司卷一样。通过这种方式，2d材料仍然以所需的垂直异质结构序列相互接触，而不需要担心它们的侧边，全部卷起来，这对于制造超小型设备来说是一件大事。”

该团队的研究表明，所有二维材料都可以卷成这些一维异质结构圆柱体，即异质纳米管。东京大学的研究人员最近在异质纳米管上制作了电极，并证明了它可以作为一个非常小的二极管，尽管它的尺寸很大，但性能很高。

“二极管是光电子学中使用的一种主要类型的器件——它们是光电探测器、太阳能电池、发光器件等的核心，”罗特金说。“在电子学中，二极管用于几种专门的电路中;虽然电子产品的主要部件是晶体管，但两个二极管背靠背连接也可以充当开关。”

这为小型化电子产品开辟了一种潜在的新型材料。

罗特金说:“它将二维材料的器件技术提升到一个新的水平，有可能实现新一代电子和光电子器件。”

罗特金对该项目的贡献是确保他们能够使一维范德华异质结构圆柱体具有所有所需的材料层。

罗特金说:“再次使用三明治的类比，我们需要知道在圆柱形三明治的整个长度上是否有‘烤牛肉’的外壳，或者是否有只有‘面包’和‘生菜’外壳的区域。”“中间绝缘层的缺失意味着我们在设备合成上失败了。我的方法明确地显示了整个设备的中间外壳都在那里。”

在常规的范德华异质结构中，由于某些层是平坦的，面积大，因此可以很容易地确定它们的存在与否。这意味着研究人员可以使用各种类型的显微镜从大而平坦的区域收集大量信号，因此它们很容易被看到。当研究人员将它们卷起来时，它就变成了一个非常细的线状圆柱体，很难表征，因为它几乎不发出信号，而且几乎看不见。此外，为了证明二极管的半导体-绝缘体-半导体结中存在绝缘层，不仅需要分解异质纳米管的外层，还需要分解完全被硫化钼半导体外层遮蔽的中间层。

为了解决这个问题，罗特金使用了散射扫描近场光学显微镜，它可以“看到”纳米级大小的物体，并确定其材料的光学特性。他还开发了一种特殊的数据分析方法，称为纳米分辨率的高光谱光学成像，可以区分不同的材料，从而沿着整个长度测试一维二极管的结构。

根据Rotkin的说法，这是第一次展示了六方氮化硼(hBN)壳作为异质纳米管的一部分的光学分辨率。更大的纯hBN纳米管，由许多hBN外壳组成，没有其他类型的材料，过去用类似的显微镜研究过。

罗特金说:“然而，这些材料的成像与我以前所做的有很大不同。”“有益的结果是，我们展示了从物体测量光谱的能力，这是一根只有两纳米厚的电线的内壳。这就相当于能够看到一根木头和能够通过铅笔壁认出铅笔里面的石墨棒。”

罗特金计划扩大他的研究，扩展高光谱成像，以更好地分辨其他材料，如玻璃、各种二维材料、蛋白质小管和病毒。

罗特金说:“这是一种新颖的技术，有望在未来带来新的发现。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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