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(noticias nanowerk) Los materiales bidimensionales (2D) electrónicamente conductores son actualmente temas de investigación candentes tanto en física como en química debido a sus propiedades únicas que tienen el potencial de abrir nuevas vías en la ciencia y la tecnología. Además, la combinación de diferentes materiales 2D, las llamadas heteroestructuras, amplía la diversidad de sus propiedades eléctricas, fotoquímicas y magnéticas. Esto puede dar lugar a dispositivos electrónicos innovadores que no se pueden realizar con un solo material.
Las heteroestructuras se pueden fabricar de dos maneras: verticalmente, donde los materiales se apilan uno encima del otro, o lateralmente, donde los materiales se apilan uno al lado del otro en el mismo plano. Una ventaja particular la ofrecen las disposiciones laterales que limitan los portadores de carga a un solo plano y allanan el camino para extraordinarios dispositivos electrónicos «en el plano». Sin embargo, construir conexiones cruzadas es un desafío.
En este sentido, los materiales conductores 2D fabricados a partir de materiales orgánicos, las llamadas “nanohojas de coordinación”, son prometedores. Se pueden fabricar combinando metales y ligandos, desde aquellos con propiedades metálicas como el grafeno y propiedades semiconductoras como los dicalcogenuros de metales de transición hasta aquellos con propiedades aislantes como el nitruro de boro. Estas nanohojas permiten un método único llamado transmetalación. Esto permite la síntesis de heteroestructuras laterales con “heterouniones” que no se pueden lograr mediante reacción directa.
Las heterouniones son interfaces entre dos materiales que tienen diferentes propiedades electrónicas y, por tanto, pueden servir como dispositivos electrónicos. Además, el uso de heterouniones de nanohojas coordinadas puede crear nuevas propiedades electrónicas que son difíciles de lograr con materiales 2D tradicionales. A pesar de estas ventajas, la investigación sobre la transmetalación como método para producir heteroestructuras es aún limitada.
Para abordar esta brecha de conocimiento, un equipo de investigadores de Japón dirigido por el profesor Hiroshi Nishihara del Instituto de Investigación de Ciencia y Tecnología de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS), Japón, utilizó la transmetalación secuencial para sintetizar heterouniones laterales de Zn.3Nanohojas de coordinación BHT. El equipo incluía al Dr. Choon Meng Tan, el profesor asistente Naoya Fukui, el profesor asistente Kenji Takada y el profesor asistente Hiroaki Maeda, también de TUS. El estudio, un esfuerzo de investigación conjunto entre TUS, la Universidad de Cambridge, el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS), el Instituto de Tecnología de Kioto y el Instituto de Investigación de Radiación Sincrotrón de Japón (JASRI), se publicó en la revista Edición Internacional de Química Aplicada (“Rectificador de unión heterometálica lateral fabricado mediante transmetalación secuencial de nanohojas de coordinación”).
El equipo preparó y caracterizó por primera vez el Zn.3Nanohoja de coordinación BHT. A continuación, investigaron la transmetalación del Zn.3BHT con cobre y hierro. El profesor Nishihara explica: «Mediante la inmersión secuencial y espacialmente confinada de la nanolámina en soluciones acuosas de iones de cobre y hierro en condiciones suaves, pudimos fabricar fácilmente heteroestructuras con heterouniones en el plano a partir de nanoláminas transmetaladas de hierro y cobre».
Este método es un proceso de solución a temperatura ambiente y presión atmosférica, desde la fabricación de nanohojas coordinadas hasta la fabricación de heterouniones en el plano. Este proceso es fundamentalmente diferente del proceso de procesamiento en fase gaseosa al vacío a alta temperatura utilizado en la tecnología de litografía de semiconductores de silicio. Es un proceso sencillo y económico que no requiere grandes equipos. El desafío es crear películas delgadas altamente cristalinas y libres de impurezas. Si se dispone de salas limpias y reactivos de alta pureza, pronto se podrán implementar técnicas de fabricación comercialmente viables.
La heterounión perfecta resultante de los investigadores mostró un comportamiento de rectificación común en los circuitos electrónicos. Las pruebas de las propiedades del diodo mostraron la versatilidad del Zn.3Nanohoja de coordinación BHT. Estas propiedades se pueden cambiar fácilmente sin equipo especial.
Además, este material también permite fabricar un circuito integrado a partir de una única hoja de coordinación, sin necesidad de un mosaico de distintos materiales.
El profesor Nishihara enfatiza la importancia de esta técnica: «Los elementos rectificadores ultrafinos (de nanómetros de espesor) obtenidos con nuestro método serán muy útiles para la fabricación de circuitos integrados ultragrandes». Las películas de capas monoatómicas con heterouniones en el plano se pueden utilizar para desarrollar nuevos elementos”.
Además, al utilizar esta reacción de transmetalación, es posible crear uniones con diversas propiedades electrónicas, como: B. pn, uniones MIM (metal-aislante-metal) y MIS (metal-aislante-semiconductor). La posibilidad de conectar aisladores topológicos de una sola capa también permitirá la aparición de nuevos dispositivos electrónicos, como divisores de electrones y dispositivos multinivel, que hasta ahora sólo se habían predicho teóricamente.
En general, este estudio presenta una técnica simple pero poderosa para fabricar heteroestructuras laterales y marca un paso significativo en la investigación de materiales 2D.
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