Układy elektroniczne z deformacji materiałów dwuwymiarowych

Grafen to niezwykły materiał dwuwymiarowy o wyjątkowych własnościach elektronicznych, mechanicznych i optycznych, stanowiący przy tym jedną z najcieńszych znanych w przyrodzie membran elastycznych. Grafen jest między innymi doskonałym kandydatem do budowania nanoukładów elektromechanicznych, ponieważ czujniki wykonane z zawieszonych membran grafenowych są najcieńszymi możliwymi rezonatorami mechanicznymi.

Naukowcy pracujący nad projektem STRENGTHNANO (Strain engineering of atomically-thin nanomembrane-based electromechanical devices) zbadali możliwości stosowania metod tzw. straintroniki zarówno z użyciem grafenu, jak i innych materiałów dwuwymiarowych o cechach bardzo różnych od grafenu. Straintronika stanowi obiecujący nowy kierunek tworzenia układów o dodatkowych cechach, których nie da się uzyskać w przypadku półprzewodników trójwymiarowych. Kształtowanie zachowania takich układów odbywa się poprzez wprowadzanie deformacji mechanicznych w półprzewodnikach dwuwymiarowych, co pozwala uzyskiwać pożądane własności elektroniczne i optyczne.

Badacze wykazali, że przyłożenie niejednorodnego naprężenia do warstwy grafenu i dwusiarczku molibdenu (MoS2) prowadzi do innych zachowań elektronów. Zjawisko to pomyślnie wykorzystano do modyfikowania właściwości elektronicznych i optycznych tych dwuwymiarowych materiałów półprzewodnikowych oraz kontrolowania ich dynamiki ekscytonowej.

Wyniki dowodzą, że inżynieria naprężeń pozwala ulepszać parametry układów poprzez precyzyjne dobieranie ich właściwości mechanicznych i elektronicznych. Naukowcy opracowali pionierskie techniki wytwarzania zawieszonych, wielowarstwowych nanostruktur grafenu i MoS2. Stosowano różne metody wprowadzania naprężeń, między innymi zginanie elastycznego podłoża i marszczenie warstwy półprzewodnika.

Inne działania projektu dotyczyły tworzenia z kilku warstw grafenu rezonatorów mechanicznych o kontrolowanych właściwościach elektromechanicznych, umożliwiających elektryczny odczyt wibracji. Badacze zademonstrowali też rezonatory mechaniczne wykorzystujące pojedynczą warstwę MoS2 z optycznym odczytem oscylacji.

Straintronika, czyli modyfikowanie właściwości elektronicznych poprzez wprowadzanie naprężeń, jest ważną dziedziną badań nad materiałami niskowymiarowymi. Wyniki badań projektu STRENGTHNANO powinny zapewnić Europie doskonałą pozycję w tworzeniu układów elektronicznych nowej generacji. Prace i wyniki projektu upowszechniano poprzez liczne publikacje w pismach naukowych.