Struktury 2D dla elektroniki
Zespół kanadyjskich i włoskich naukowców stworzył nowe struktury dwuwymiarowe, które podobnie jak grafen mają niezwykle skuteczne właściwości półprzewodzące. Zdaniem badaczy są gotowe do zastosowania, ponieważ udało się je osiągnąć w średniej skali wielkości. Może to oznaczać przełom w badaniach polimerów dwuwymiarowych i bardzo istotny krok dla elektroniki.
Najnowsza publikacja w czasopiśmie „Nature Materials”, autorstwa kanadyjskich i włoskich badaczy, może okazać się początkiem rewolucyjnych zmian w naukach o materiałach i w przemyśle elektronicznym nastawionym na innowacje.
Pod publikacją podpisanych jest aż 19 różnych autorów, między innymi z kanadyjskiego Institut national de la recherche scientifique (INRS) i włoskiego Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), czyli narodowych agencji naukowych oraz kanadyjskich uczelni – McGill University i Lakehead University.
Celem badań było rozwinięcie technologii materiałów dwuwymiarowych (2D), czyli takich w które zbudowane są z pojedynczej warstwy atomów. Historia tej technologii sięga roku 2004, kiedy to zespół badaczy z Uniwersytetu w Manchesterze opracował sposób na wytwarzanie jednowarstwowej, płaskiej struktury węgla, nazwanej grafenem (za to odkrycie Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow otrzymali w 2010 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki). Stworzony materiał podobnie jak grafen ma własności półprzewodnika i łączy się tworząc tzw. stożki Diraca i płaską strukturę pasmową. Warto podkreślić, że są to materiały występujące w średniej skali wielkości, a więc gotowe do zastosowania w elektronice.
– Nasza praca przynosi fascynujący dla mnie postęp w zakresie funkcjonalnych dwuwymiarowych materiałów innych niż grafen – mówi Mark Gallagher, profesor fizyk z Lakehead University.
Zdaniem badaczy z McGill Universtity jest to praca, która otwiera zupełnie nowe kierunki badań ogólnych i teoretycznych. W zakresie badań teoretycznych wyniki ogłoszonych badań powinny, ich zdaniem, umożliwić kolejne badania, a nawet otworzyć nową gałąź badań nad całą gamą dwuwymiarowych polimerów przewodzących „po głównym łańcuchy” (polimerów skoniugowanych, ang. conjugated polymers). Autorzy liczą, że uda się w ten sposób dowiedzieć czegoś nowego w zakresie tego, jak struktura danego polimeru wpływa na właściwości systemów, w których się znajdują.
Badania mają przynieść też przynieść bezpośrednie przełożenie na badania eksperymentalne. Integracja opracowanego w badaniach systemu z konkretnymi urządzeniami, na przykład z tranzystorami, może według autorów prowadzić do wyników o bardzo korzystnych parametrach.
Prezentacja syntezy dwuwymiarowych polimerów skoniugowanych wykonana przez włosko-kanadyjski zespół dotyczy także szczegółowej charakterystyki ich właściwości elektrycznych. Sukces w tym zakresie badacze zawdzięczają interdyscyplinarnemu zestawieniu wiedzy eksperckiej z zakresu chemii organicznej i fizykochemii powierzchni, czyli badań łączących wiedzę chemiczną i fizyczną dotyczącą zjawisk, które zachodzą na powierzchni, a więc na granicy między ciałem stałym, cieczą lub gazem.
– Uczestnictwo w tym projekcie był dla mnie wspaniałym doświadczeniem – opowiada prof. Gallagher. – Żeby osiągnąć wspólny cel udało nam się połączyć doświadczenia chemii organicznej, fizyki ciała stałego i nauki o materiałach.
– To projekt, nad którym pracowaliśmy już od dłuższego czasu, pierwsza koncepcja pojawiła się już ponad 15 lat temu – kontynuuje Dmytro Perepichka, profesor i kierownik Katedry Chemii w McGill University – i wreszcie widzimy rezultaty. Było to możliwe tylko dzięki tej wielostronnej współpracy między czterema ośrodkami badawczymi w Kanadzie i we Włoszech. Strukturalne przekształcenie dwuwymiarowych polimerów skoniugowanych wnosi do elektroniki zupełnie nowe możliwości aplikacyjne dla dwuwymiarowych materiałów.
– Wypracowane rozwiązania wprowadzają też zupełnie nowe wejrzenie w mechanizmy rządzące reakcjami powierzchniowymi. Równocześnie zyskujemy nowy materiał o wyjątkowych właściwościach, którego możliwość istnienia była dotąd uznawana tylko teoretycznie. Jesteśmy naprawdę podekscytowani tym, co osiągnęliśmy – podsumowuje Federico Rosei, profesor centrum badawczego Énergie Matériaux Télécommunications (Materiały Energetyczne i Telekomunikacja) kanadyjskiej INRS.
Badania źródłowe: G. Galeotti et al, Synthesis of mesoscale ordered two-dimensional π-conjugated polymers with semiconducting properties, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0682-z
Opracowano na podstawie artykułu Researchers breaking new ground in 2-D materials opublikowanego na portalu Phys.org (dostarczonego przez McGill University).
