I materiali 2D vanno oltre il grafene per l'elettronica
La richiesta di miniaturizzazione nel campo dell'elettronica continua a crescere, ma l'industria si sta avvicinando al limite di scala per i materiali in silicio. Ultimamente, i materiali 2D si sono rivelati promettenti per l'uso in dispositivi elettronici e optoelettronici miniaturizzati grazie alle loro proprietà specifiche, oltre alle dimensioni atomicamente sottili. Mentre il grafene è stato il primo materiale 2D studiato in dettaglio, ora ci si concentra su altri materiali con proprietà molto diverse, per nuove applicazioni. Nell'ambito del progetto DEMONH, finanziato dall'UE, gli scienziati hanno studiato le proprietà elettroniche e ottiche di un materiale semiconduttore 2D noto come bisolfuro di molibdeno (MoS2) e di promettenti materiali ibridi noti come perovskiti di alogenuro di piombo. La perfezione non è tutto I difetti di punto, quali i difetti di vacanza e le impurità, sono essenziali in elettronica. «Sebbene i difetti di punto possano a volte essere considerati un notevole svantaggio per la realizzazione di determinate operazioni elettroniche, ogni singolo tipo di difetto può causare un profondo cambiamento delle proprietà del materiale. In particolare, la costante presenza di difetti può migliorare notevolmente la risposta fisica, elettrochimica e optoelettronica dei materiali 2D», sottolinea il coordinatore del progetto, David Beljonne. Gli scienziati si sono occupati principalmente dell'influenza dei difetti di punto creati intenzionalmente per aumentare la densità dei siti di ancoraggio o creati in modo naturale durante la sintesi dei materiali. Nel primo caso, l'ancoraggio di nanoparticelle su siti di difetti di MoS2, in condizioni di illuminazione leggera, può aggiungersi alla complessità del comportamento funzionale del materiale. Un altro obiettivo era quello di stabilire una struttura teorica generale in grado di catturare sia le proprietà fotofisiche che optoelettroniche di alcuni materiali ibridi. Soffermandosi a un bivio tra molecole e materiali a stato solido, la ricerca sui materiali organico-inorganici coinvolgeva i principi presi in prestito sia dalla chimica sia dalla fisica. In particolare, contrariamente al sapere comune, il team del progetto ha studiato come l'aggiunta di difetti di punto nelle perovskiti degli alogenuri ibridi possa essere utilizzata per migliorare l'efficienza del processo di fotoconversione nel fotovoltaico. I risultati hanno aiutato gli scienziati a comprendere meglio il ruolo degli atomi droganti di cloro e dei cationi organici nella soppressione della ricombinazione del vettore e nel ripristinare i portatori di carica a lunga vita. Dai materiali 2D alle eterostrutture Avendo a disposizione diversi materiali 2D, gli scienziati hanno provato a combinarli in pile verticali. La progettazione di architetture multistrato basate su mattoncini 2D ultrasottili è stata assistita da tecniche avanzate di elaborazione delle soluzioni. Le molecole organiche hanno contribuito al processo di esfoliazione liquida delaminando i materiali in fogli singoli, ultrasottili e significativamente stabili. «La costruzione di polimeri coniugati stabili è stata la chiave per studiare i potenti meccanismi di regolazione delle proprietà elettroniche e ottiche delle unità elementari 2D», sottolinea Beljonne. Tra gli altri risultati, il team del progetto ha dimostrato che le proprietà elettriche degli strati 2D di dichalcogenide di metallo possono essere regolate dal bombardamento ionico e che le risultanti vacanze di zolfo agiscono come gruppi di ancoraggio favorevoli per molecole multifunzionali a base di tiolo. I materiali 2D impilati possiedono una serie di proprietà regolabili che, secondo le previsioni, saranno importanti per le future applicazioni in elettronica e optoelettronica. Le possibili applicazioni spaziano da componenti di microchip a pannelli solari sottili e flessibili e schermi. Questo lavoro ha anche portato a ulteriori studi su altri sistemi di materiali 2D. DEMONH ha contribuito a una migliore comprensione di base delle complesse proprietà elettroniche e ottiche di alcuni materiali semiconduttori e ibridi. Si spera che ciò stimoli la progettazione e lo sviluppo di dispositivi di eterostruttura multistrato ultrasottili e flessibili di nuova generazione.
Parole chiave
DEMONH, elettronica, materiali 2D, proprietà ottiche, materiali ibridi, optoelettronico, grafene, polimeri coniugati, eterostruttura multistrato
