像寿司一样滚动的二维异质结构可能会导致超小型化电子产品

异型二极管的图像：该设备在绝缘体hBN外壳（紫色）上方，在覆盖有金电极的异质纳米管的碳纳米管核心（绿色）上方（黄色）包含MoS2半导体外壳（蓝色）。

根据宾州州立大学的一个研究小组的研究，一维范德华异质结构的最新合成是通过将一层原子厚的二维材料分层而制成的一种异质结构，这可能会导致目前无法实现的新型小型电子学。东京大学研究人员。

工程师通常会生产异质结构以实现新的器件特性，而这些特性是单一材料无法提供的。范德华异质结构是一种由2D材料制成的材料，它们像Lego块或三明治一样直接彼此堆叠。范德华力是不带电荷的分子或原子之间的吸引力，它将材料保持在一起。

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

Rotkin说：“看起来像是一堆2D层的材料，它们堆放在一个完美的圆柱体中。”“换句话说，如果您将三明治卷起来，则将所有好东西保留在应该放置的位置，并且不会四处走动，但在这种情况下，您还可以使它成为一个薄的圆柱体，非常紧凑，就像热狗或烤箱一样。长寿司卷。这样，二维材料仍然可以按所需的垂直异质结构顺序相互接触，而不必担心它们的侧边缘会全部卷起，这对于制造超小型设备来说意义重大。

研究小组发表在 ACS Nano上的研究表明，所有2D材料都可以卷入这些一维异质圆柱体中，称为异质纳米管。东京大学的研究人员最近在异质纳米管上制造了电极，并证明了其尺寸虽小却可以作为具有高性能的极小二极管工作。

Rotkin说：“二极管是光电子学中的一种主要类型的器件-它们位于光电探测器，太阳能电池，发光器件等的核心。”“在电子产品中，二极管用于几种专用电路中；尽管电子设备的主要元件是晶体管，但两个背对背连接的二极管也可以用作开关。”

这为小型电子学打开了潜在的新型材料类别。

Rotkin说：“它将2D材料的设备技术提高到一个新的水平，有可能实现新一代的电子和光电设备。”

Rotkin对项目的贡献是解决一项特别艰巨的任务，即确保他们能够使一维范德华异质结构圆柱体具有所有必需的材料层。

罗特金说：“再次使用三明治的类比，我们需要知道我们是否在整个圆柱形三明治的整个长度上都有一个'烤牛肉'壳，或者是否存在只有'面包'和'生菜'壳的区域，” 。“缺少中间绝缘层将意味着我们无法进行器件合成。我的方法确实明确显示出中间壳在设备的整个长度上都在那里。”

在规则的范德华规则平面结构中，可以轻松地确定某些层的存在或不存在，因为它们是平坦的且具有较大的面积。这意味着研究人员可以使用各种类型的显微镜从较大的平坦区域收集很多信号，因此很容易看到它们。当研究人员将它们卷起来时，就像一维范德华力异质结的情况一样，它变成了非常细的线状圆柱体，因为它几乎不发出信号并且几乎看不见，所以很难表征。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，不仅需要解决异质纳米管的外壳问题，还需要解决中间层的问题，而中间层完全被绝缘层遮盖了。硫化钼半导体的外壳。

为了解决这个问题，Rotkin使用了散射扫描近场光学显微镜，该显微镜是材料研究所2D晶体联盟的一部分，该联盟可以“看到”纳米级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，即具有纳米分辨率的高光谱光学成像，可以区分不同的材料，从而测试一维二极管沿其整个长度的结构。

根据Rotkin的说法，这是作为异质纳米管一部分的六方氮化硼（hBN）壳的光学分辨率的首次演示。过去使用类似的显微镜研究了更大的纯hBN纳米管，它由hBN的许多壳组成，而没有其他类型的材料。

“但是，这些材料的成像与我之前所做的完全不同，”罗特金说。“有益的结果是证明了我们能够测量物体的光谱的能力，该物体是仅两纳米厚的金属丝的内壳。这相当于可以看到木原木和能够通过铅笔壁识别铅笔内部的石墨棒之间的区别。”

Rotkin计划扩大他的研究范围，以扩展高光谱成像，以更好地解析其他材料，例如玻璃，各种2D材料以及蛋白质小管和病毒。

罗特金说：“这是一种新颖的技术，有望导致未来的发现发生。”

参考：2021年3月1日，ACS纳米。YaFeng，河南李，Taiki Inoue，Shohei Chiashi，Slava V. Rotkin，Rong Xiang和Shigeo Maruyama的“一维范德华异质结二极管”，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.1c00657

与Rotkin一起，该论文的其他作者包括东京大学的Ya Feng，Li Li河南，井上大树（Taiki Inoue），Chihei Chiashi，Rong Xiang和Shigeo Maruyama。

这项研究部分由宾夕法尼亚州国家科学基金会材料研究科学与工程中心的纳米级科学中心和日本教育，文化，体育，科学和技术部提供部分资助。