مواد و ساخت پیشرفته

محققان از یک روش جدید ترانس‌متالاسیون برای توسعه دستگاه‌های الکترونیکی فوق نازک از نانوصفحات کوئوردیناسیون دوبعدی استفاده نمودند. در حال حاضر رسانایی الکترونیکی مواد دوبعدی به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فردشان که می‌توانند راه‌های جدیدی را در علم و فناوری باز کنند از موضوعات داغ تحقیقات در فیزیک و شیمی هستند. علاوه بر این، ترکیب مواد دوبعدی مختلف به نام هتروساختارها، تنوع خواص الکتریکی، فتوشیمیایی و مغناطیسی آنها را گسترش می‌دهد.

این امر می‌تواند منجر به ایجاد دستگاه‌های الکترونیکی نوآورانه شود که با یک تک ماده به تنهایی قابل دستیابی نیستند. ساختارهای ناهمسان را می‌توان به دو روش ساخت: به صورت عمودی با موادی که روی هم چیده شده‌اند یا به صورت جانبی که در آن مواد در کنار هم در یک صفحه قرار می‌گیرند. ترتیبات جانبی یک مزیت ویژه را ارائه می‌دهد، که حامل‌های مسئول را به یک طرح محدود می‌کند و راه را برای دستگاه‌های الکترونیکی استثنایی در داخل طرح هموار می‌کند. با این حال ساخت اتصالات جانبی چالش برانگیز است.

در این راستا، هدایت مواد دو بعدی ساخته شده با استفاده از مواد آلی، به نام نانوصفحات کوئوردیناسیون امیدوارکننده است. آنها را می‌توان با ترکیب فلزات و لیگاندها از فلزات ایجاد کرد. از آنها که دارای خواص فلزی مانند گرافن و خواص نیمه‌رسانایی مانند دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه هستند تا آنهایی که خواص عایق دارند مانند نیترید بور. این نانوصفحات یک روش منحصر به فرد به نام ترانس‌متالاسیون را امکان‌پذیر می‌کند.

این امر امکان سنتز هتروساختارهای جانبی را با هتروجانکشن‌ها فراهم می‌آورد که نمی‌تواند از طریق واکنش مستقیم به دست آید. اتصالات ناهمگون رابط بین دو ماده هستند که دارای خواص الکترونیکی متمایز هستند و بنابراین می‌توانند به عنوان ابزار الکترونیکی عمل کنند. علاوه بر این، با استفاده از اتصالات ناهمگون نانوصفحات کوئوردیناسیون می‌توان ویژگی‌های الکترونیکی جدیدی را ایجاد کرد که بدست آوردن آنها با مواد دو بعدی معمولی دشوار بوده است. علی‌رغم این مزایا، تحقیقات در مورد انتقال فلز به عنوان روشی برای ساخت ساختارهای ناهمگن هنوز محدود است.

برای رفع این شکاف دانشی، تیمی از محققان ژاپنی به سرپرستی پروفسور هیروشی نیشیهارا از موسسه تحقیقات علم و فناوری در دانشگاه علوم توکیوی ژاپن، از انتقال متوالی برای سنتز اتصالات ناهمگون جانبی نانوصفحات کوئوردیناسیون Zn3BHT استفاده کردند. این مطالعه، یک تلاش مشترک تحقیقاتی توسط دانشگاه علوم توکیو، دانشگاه کمبریج، موسسه ملی علوم مواد، موسسه فناوری کیوتو و موسسه تحقیقات تشعشعات سنکروترون ژاپن است که در مجله Angewandte Chemie International Edition در پنجم  ژانویه 2024 میلادی منتشر شد. این تیم ابتدا نانوصفحه هماهنگی Zn3BHT را ساخت و مشخص کرد. سپس آنها انتقال فلز Zn3BHT با مس و آهن را بررسی کردند.

پروفسور نیشیهارا توضیح می‌دهد از طریق غوطه‌وری متوالی و محدود نانوصفحه در محلول‌های آبی مس و یون آهن در شرایط ملایم، ما به راحتی ساختارهای ناهمسانی را با اتصالات ناهمگون در صفحه نانوورق‌های آهن و مس ترانس فلزی ساختیم. این روش یک فرآیند حل در دمای اتاق و فشار اتمسفر است، از ساخت نانوصفحات کوئوردیناسیون تا ساخت اتصالات ناهمگون در صفحه است. این فرآیند کاملاً متفاوت از فرآیند پردازش در دمای بالا، خلا و فاز گاز است که در فناوری لیتوگرافی برای نیمه‌هادی‌های سیلیسیمی استفاده می‌شود. این یک فرآیند ساده و ارزان است که نیازی به تجهیزات بزرگ ندارد. چالش این است که چگونه لایه‌های نازک بسیار کریستالی ایجاد کنیم که عاری از ناخالصی باشند. اگر اتاق‌های تمیز و معرف‌های با خالص‌سازی بالا در دسترس باشند تکنیک‌های تولید تجاری پایدار به زودی به دست خواهند آمد.

ناهمگونی بدون درز حاصل که توسط محققان به دست آمد رفتار اصلاحی رایج در مدارهای الکترونیکی را نشان داد. آزمایش ویژگی‌های دیود تطبیق‌پذیری نانوصفحه کوئوردیناسیون Zn3BHT را نشان داد. این ویژگی‌ها را می‌توان به راحتی و بدون تجهیزات خاص تغییر داد. علاوه بر این، این ماده همچنین ساخت یک مدار مجتمع را تنها از یک صفحه کوئوردیناسیون، بدون هیچ گونه وصله‌کاری از مواد مختلف، امکان‌پذیر می‌کند. عناصر اصلاح‌کننده فوق‌العاده نازک (ضخامت نانومتر) به‌دست‌آمده از این روش برای ساخت مدارهای مجتمع در مقیاس فوق‌العاده مفید خواهند بود. به طور هم‌زمان، خواص فیزیکی منحصر به فرد لایه‌های تک اتمی با اتصالات ناهمگون درون صفحه می‌تواند منجر به توسعه عناصر جدید شود.

همچنین با استفاده از این واکنش فرافلزی می‌توان اتصالاتی با ویژگی‌های مختلف الکترونیکی مانند اتصالات p-n، MIM (فلز-عایق-فلز) و MIS (فلز-عایق-نیمه‌رسانا) ایجاد کرد. توانایی اتصال عایق‌های توپولوژیکی تک لایه همچنین دستگاه‌های الکترونیکی جدیدی مانند تقسیم‌کننده‌های الکترون و دستگاه‌های چند‌سطحی را که فقط به صورت تئوری پیش‌بینی شده‌اند، فعال می‌کند. به طور کلی، این مطالعه یک تکنیک ساده و در عین حال قدرتمند برای ساخت ساختارهای ناهمسان جانبی ارائه می‌کند که گام مهمی را در تحقیقات مواد دوبعدی نشان می‌دهد.

منبع