Forskare vid Massachusettes Institute of Technology (MIT) har lyckats producera komplexa elektroniska kretsar i tvådimensionellt molybdendisulfid. Materialet kan komma att öppna upp för helt nya produkter såsom till exempel antenner invävda i våra kläder.

Diagrammet visar molybdendisulfidens plana struktur. Molybdenatomerna representeras av en blågrön nyans och svavelatomerna i gult.
Bild: MIT Wang et al

Upptäckten av grafen, ett material som bara är en atom tjockt och som har en exceptionell styrka och andra nya egenskaper, startade en lavin av forskning kring dess användning i allt från elektronik och optik till strukturella material. Men ny forskning visar att det bara var början: på en hel familj av tvådimensionella material som kan öppna upp för ännu bredare möjligheter i helt nya applikationer och som kan komma att ändra många aspekter av det moderna livet.

Den senaste "nya" materialet, molybdendisulfid (MoS₂) – som faktiskt har använts i årtionden, men inte i dess 2D- form – beskrevs först för bara ett år sedan av forskare i Schweiz. Men under det året har forskare vid MIT – som kämpat i flera år med att bygga elektroniska kretsar av grafen med mycket begränsade resultat (med undantag för radiofrekventa tillämpningar) – redan lyckats tillverka en mängd olika elektroniska komponenter utifrån MoS₂. Dessa forskare menar att materialet kan komma att hjälpa till för att ta fram radikalt nya produkter, från hela väggar som glöder till kläder med inbyggd elektronik och till glasögon med inbyggda bildskärmar.

Tomás Palacios, som varit med och skrivit en redan publicerad rapport, menar att grafen och MoS₂ bara är början på en ny värld av forskning om tvådimensionella material.

– Det här är den mest spännande tiden för elektronik under de senaste 20 eller 30 åren. Det här är som att öppna dörren till en helt ny domän av elektroniska material och enheter, säger Palacios.

Rapporten beskriver framtagningen av komplexa elektroniska kretsar från det nya materialet och har publicerats online tidigare den här månaden i tidskriften Nano Letters. Författare är Han Wang och Lili Yu, graduate students vid Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS); Tomás Palacios, the Emmanuel E. Landsman Associate Professor of EECS med flera.

Liksom grafen, som är en tvådimensionell form av grafit, har molybdendisulfid använts under många år som ett industriellt smörjmedel. Men det har aldrig setts som en 2D-plattform för elektroniska kretsar förrän förra året, då forskare vid det schweiziska universitetet EPFL producerade en transistor i materialet.

Forskarna vid MIT hakade på och Yi-Hsien Lee vid EECS fann ett bra sätt för att tillverka stora ark av materialet med hjälp av kemisk process för förångningsdeposition. Lee kom på den här metoden när han arbetade tillsammans med Lain-Jong Li på Academia Sinica i Taiwan och förbättrade metoden efter att ha kommit till MIT. Palacios, Wang och Yu, började sedan producera byggstenarna till elektroniska kretsar på de ark som Lee tog fram, likväl som MoS2-flingor som producerades genom en mekanisk metod.

Wang hade kämpat för att bygga kretsar på grafen för sin doktorsavhandling men fann det mycket lättare att ha att göra med det nya materialet. Det fanns en "rejäl flaskhals" för att göra framsteg med grafen, förklarar han, eftersom det materialet saknar ett bandgap – nyckelegenskapen som gör det möjligt att skapa transistorer, den grundläggande komponenten till logik- och minneskretsar. Till skillnad från grafen, som måste modifieras på ett krävande sätt för att skapa ett bandgap, har MoS₂ ett naturligt bandgap.

Avsaknaden av bandgap innebär att en switch tillverkad i grafen kan slås på men inte stängas av, enligt Wang. ”Det innebär att du inte kan skapa digital logik. Så folk har i åratal letat efter ett material som delar vissa av grafenmaterialets extraordinära egenskaper, men har den här saknade kvaliteten – vilket molybdendisulfid har”, säger Wang.

– Eftersom MoS₂ i stor utsträckning redan produceras som ett smörjmedel, och tack vare det pågående arbetet vid MIT och andra labb för att tillverka stora ark av materialet, bör en uppskalning av produktionen av materialet för praktisk användning vara mycket lättare än med andra, nya material, säger Wang och Palacios.

Wang och Palacios kunde tillverka en rad olika grundläggande elektroniska kretsar av materialet: En inverterare och en NAND-grind, en minnesenhet,och en mer komplex krets som kallas ringoscillator och som konstruerats med hjälp av tolv sammankopplade transistorer.

Palacios menar att en möjlig tillämpning med det nya materialet är stora skärmar för TV-apparater och datorskärmar, där en separat transistor styr varje bildpunkt på skärmen. Eftersom materialet bara är en molekyl tjockt – till skillnad från högrenat kisel som används för konventionella transistorer och som måste vara miljontals atomer tjockt – skulle även en mycket stor skärm endast använda en oändligt liten mängd av råmaterialet. Detta kan potentiellt minska kostnaderna, vikt och förbättra energieffektiviteten.

– I framtiden kan det här göra det möjligt att även ta fram helt nya typer av enheter. Materialet kan användas i kombination med andra 2D-material för att tillverka ljusemitterande produkter. I stället för att producera en punktljuskälla i form av en glödlampa kan en hel vägg fås att skina och producera mjukare, mindre bländande ljus. På samma sätt kan antennen och andra kretsar i en mobiltelefon vävas till tyg, vilket då ger en mycket känsligare antenn som kräver mindre ström och skulle kunna införlivas i kläder, säger Palacios.

Materialet är så tunt att det är helt transparent, och kan deponeras på i praktiken vilket annat material som helst. Till exempel, kan MoS₂ appliceras på glas för displayer inbyggda i ett par glasögon eller i fönstret till ett hus eller kontor.

Ali Javey, docent i electrical engineering och computer science vid University of California, Berkeley, som inte varit inblandad i den här forskningen, säger att skiktade material såsom MoS₂ är "en lovande materialklass för framtida elektronik," men varnar att " framtiden ser ljus ut för dessa halvledare, men fortfarande behöver arbete göras för att bättre förstå dess prestandagränser och kring storskalig tillverkning", enligt ett pressmeddelande.

Filed under: Utländsk Teknik