Nanodrähte im atomaren Maßstab für die Elektronik der nächsten Generation

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Skalierbare Synthese von Übergangsmetall-Chalkogenid-Nanodrähten für die Elektronik der nächsten Generation.
Forscher der Tokyo Metropolitan University haben einen Weg gefunden, selbstorganisierte Nanodrähte aus Übergangsmetallchalcogeniden in großem Maßstab durch chemische Gasphasenabscheidung herzustellen.

Durch Veränderung des Substrats, auf dem sich die Drähte bilden, können sie einstellen, wie diese Drähte angeordnet sind, von ausgerichteten Konfigurationen aus atomar dünnen Blättern bis hin zu zufälligen Netzwerken aus Bündeln.
Dies ebnet den Weg für den industriellen Einsatz in der Industrieelektronik der nächsten Generation, einschließlich Energy Harvesting und transparenten, effizienten und sogar flexiblen Geräten.

In der Elektronik geht es vor allem darum, Dinge kleiner zu machen. Kleinere Funktionen auf einem Chip bedeuten zum Beispiel mehr Rechenleistung auf gleichem Raum und eine bessere Effizienz, die für die immer höheren Anforderungen einer modernen IT-Infrastruktur, die durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz angetrieben wird, unerlässlich ist.

Und da die Geräte immer kleiner werden, werden die gleichen Anforderungen an die komplizierte Verdrahtung gestellt, die alles miteinander verbindet.
Das ultimative Ziel wäre ein Draht, der nur ein oder zwei Atome dick ist. Solche Nanodrähte würden eine völlig andere Physik nutzen, da sich die Elektronen, die durch sie hindurchfliegen, mehr und mehr so verhalten, als würden sie in einer eindimensionalen Welt leben und nicht in einer 3D-Welt.

Tatsächlich verfügen Wissenschaftler bereits über Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren und Übergangsmetall-Chalkogenide (TMCs), Mischungen aus Übergangsmetallen und Elementen der Gruppe 16, die sich selbst zu Nanodrähten im atomaren Maßstab zusammensetzen können.

Das Problem ist, sie lang genug und in großem Maßstab herzustellen.

Ein Weg zur Massenproduktion von Nanodrähten wäre ein entscheidender Schritt nach vorne.
Jetzt hat ein Team unter der Leitung von Dr. Hong En Lim und Professor Yasumitsu Miyata von der Tokyo Metropolitan University einen Weg gefunden, lange Drähte aus Übergangsmetalltellurid-Nanodrähten in noch nie dagewesenem Ausmaß herzustellen. Mit Hilfe eines Prozesses, der als chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bezeichnet wird, fanden sie heraus, dass sie TMC-Nanodrähte in verschiedenen Anordnungen zusammensetzen können, je nachdem welche Oberfläche oder welches Substrat sie als Vorlage verwenden.

Beispiele sind in Abbildung 2 dargestellt; in (a) bilden Nanodrähte, die auf einem Silizium/Siliziumdioxid-Substrat gewachsen sind, ein zufälliges Netzwerk von Bündeln; in (b) ordnen sich die Drähte in einer bestimmten Richtung auf einem Saphir-Substrat an und folgen der Struktur des darunter liegenden Saphir-Kristalls.

Durch einfaches Ändern des Ortes, an dem die Drähte gezüchtet werden, hat das Team nun Zugang zu zentimetergroßen Wafern, die in der gewünschten Anordnung bedeckt sind, einschließlich Monoschichten, Doppelschichten und Netzwerken aus Bündeln, die alle unterschiedliche Anwendungen haben.

Sie fanden auch heraus, dass die Struktur der Drähte selbst hochkristallin und geordnet war und dass ihre Eigenschaften, einschließlich ihrer exzellenten Leitfähigkeit und ihres 1D-ähnlichen Verhaltens, mit denen der theoretischen Vorhersagen übereinstimmten.

Große Mengen an langen, hochkristallinen Nanodrähten zu haben, wird den Physikern sicherlich helfen, diese exotischen Strukturen zu charakterisieren und genauer zu untersuchen.

Vor allem aber ist es ein spannender Schritt hin zu realen Anwendungen von atomar dünnen Drähten in transparenter und flexibler Elektronik, ultra-effizienten Geräten und Anwendungen zur Energiegewinnung.
Referenz: “Wafer-Scale Growth of One-Dimensional Transition-Metal Telluride Nanowires” von Hong En Lim, Yusuke Nakanishi, Zheng Liu, Jiang Pu, Mina Maruyama, Takahiko Endo, Chisato Ando, Hiroshi Shimizu, Kazuhiro Yanagi, Susumu Okada, Taishi Takenobu und Yasumitsu Miyata, 13 December 2020, Nano Letters.DOI: 10.1021/acs.nanolett.0 c03456
Diese Arbeit wurde unterstützt durch JST CREST Grants (JPMJCR16F3, JPMJCR17I5), Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) KAKENHI Grants-in-Aid for Scientific Research (B) (JP18H01832, JP19H02543, JP20H02572, JP20H02573), Young Scientists (JP19K15383, JP19K15393), Scientific Research on Innovative Areas (JP20H05189, JP26102012), Specially Promoted Research (JP25000003), Challenging Research (Exploratory) (19K22127) und Scientific Research (A) (JP17H01069), sowie Zuschüsse von der Murata Science Foundation (2019, H31-068) und der Japan Keirin Autorace Foundation (2020M-121).

Diese Arbeit wurde teilweise an der AIST Nano-Processing Facility durchgeführt, unterstützt durch das “Nanotechnology Platform Program” des Ministeriums für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie (MEXT), Japan. Förderungsnummer JPMXP09F19008709 und 20009034.

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