پژوهش‌گران ژاپنی موفق به مشاهده‌ی اتم‌های منفردی شده‌اند که خود را در طول گذار از فاز نیمه‌رسانا به فلز در ماده‌ی (MoS₂) بازآرایی می‌کنند. مولیبدنیت ماده‌ی شبه‌گرافنیی است که در ورقه‌هایی با ضخامت یک مولکول رخ می‌دهد. تاکنون تصور می‌شد چنان گذارهای فازی حرکات جمعیِ اتم‌ها هستند٬ اما مشاهدات جدید نشان از آن دارد که حرکت اتم به اتم در کار است. نتایج حاصل اطلاعات مهمی را برای پژوهش‌گرانی فراهم می‌کند که در صدد ایجاد قطعات الکترونیکی از تک‌ورقه‌های MoS₂ هستند.

مولیبدنیت نیم‌رسانایی با گاف مستقیم است که امید آن می‌رود تا در قطعات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی کاربرد داشته باشد. تحرک حاملان بار الکتریکی این ماده بیش‌تر از 100 cm²/Vs است که به خوبیِ سیلیکون است و حتی می‌تواند به بزرگی 500 cm²/Vs نیز برسد. این ماده یک جامد «واندروالس» است و این یعنی شامل ورقه‌های دوبعدی مستحکمی است که به شکل ضعیف به‌همدیگر پیوند خورده‌اند تا ساختار لایه‌ای سه‌بعدی که بسیار شبیه به گرافیت هست را تشکیل دهند. مولیبدینت بر روی زیرلایه‌های گوناگون پایدار است٬ حتی زیرلایه‌های شفاف یا پلاستیکی. تک‌لایه‌هایی از این ماده تنها در حدود ۰/۶۵ نانومتر ضخامت دارند و این یعنی می‌توان از آن‌ها در ساخت ترانزیستورهای بسیار نازک استفاده کرد.

یک خاصیت مهم مولیبدینت چندریختی بودن آن است: ویژگی‌های الکترونیکی مختلفی دارد که وابسته به ساختار بلوری لایه‌ها است. اگر چنان‌چه گوگرد و مولیبدن در یک ساختار منشوری مثلثی آرایش یافته باشند چنین ساختاری یک نیم‌رسانا بوده و اگر فرض شود این اتم‌ها ساختار هشت‌وجهی دارند٬ یک فلز خواهد بود. هر دوی این ساختارها را می‌توان این‌گونه فرض کرد که یک صفحه‌ی مرکزی از اتم‌های مولیبدن بین دو صفحه‌ از اتم‌های گوگرد ساندویچ شده‌اند. پژوهش‌گران معتقدند که گذارهای فازی زمانی رخ می‌دهد که این صفحات بر روی هم سُر بخورند؛ تغییر و تحولی که مستقیماً در یک آزمایش مشاهده نشده بود.

اتم‌های که سُر می‌خورند

اکنون تیمی به رهبری کازو سوئناگا (Kazu Suenaga) از موسسه‌ی ملی علوم و فناوری صنعتی پیشرفته (AIST) در تسوکوبا (Tsukuba ) نشان داده است که سُرخوردن صفحات اتمی در مولیبدینت فاز جدیدی را ایجاد می‌کند که موجب هسته‌دار شدن ماده می‌شود. با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی انتقالی روبشی (STEM) این گروه موفق به ترسیم فازهای میانی شده‌اند که در طول چنان گذاری رخ می‌دهد.

این فرآیند گذار با حرارت حاصل از پرتو الکترونی STEM راه اندازی شده است. بازتابش پرتو الکترونی یک حوزه‌ی فلزی بسیار کوچک را در فاز نیم‌رسانا وارد می‌سازد که همان‌طور که سوئناگا توضیح می‌دهد تلنگری بر شروع گذار فاز محسوب می‌شود. این فرآیند می‌تواند به عنوان یک راه قابل کنترل برای وارد ساختن گذارهای فازی در مولیبدینت و مواد فوق‌نازکِ مشابه باشد.

به گفته‌ی سوئناگا: «بر اساس نتایجی که بدست آورده‌ایم می‌توان قطعات الکترونیکی (همچون نانودیودها) را به شکل «داخلِ لایه‌ای» ساخت٬ به جای آن‌که لایه‌هایی با ویژگی‌های مجزا را به شکل سرهم‌کردن لایه‌ به لایه‌ای از پائین به بالا بسازیم؛ که یک راه سنتی برای ساخت چنان ساختارهایی محسوب می‌شود». «ساخت نانودیودها با بهره‌گیری از فرآیند پایین به بالا کار آسانی نیست اما اینجا نشان می‌دهیم که الگوبندی ساده‌ی پرتو الکترونی می‌تواند حوزه‌هایی در مقیاس نانو (با خواص الکترونی فلزی مجزا) را به داخل یک نیم‌رسانای تک‌لایه وارد سازد. به لطف مشاهدات STEM می‌توانیم ساختارهایی با دقت مقیاس اتمی بسازیم و حتی نشان دهیم چگونه بلور به شکل موضعی و درجا رشد می‌کند.»

ریزنگاری بر روی شکل سمت چپ نشان از یک مثلث فلزی کوچک (با قاعده‌ی ۳ نانومتری) از جنس مولیبدینت دارد (با 1T نشان داده شده است) که در داخل ورقه‌ی نیم‌رسانایی (2H) از ماده‌ی مشابه ایجاد شده است. طرح شکل سمت راستی مکان مثلث را نشان می‌دهد. چنان ساختارهایی می‌توانند همچون نقاط کوانتومی عمل کنند.

مثلث فلزی کوچک

به بیان پژوهش‌گران در حقیقت پیش‌تر نمونه‌هایی از نانوقطعات با استفاده از فناوری آن‌ها تولید شده است. به عنوان مثال آن‌ها یک مجموعه اتصالات فازهای نیم‌رسانا و فلز را ساخته‌اند که از تمامی مقاصد و اهداف یک دیود شاتکی برخوردار است. همچنین تولید یک ناحیه‌ی نیم‌رسانای ساندویچ شده بین دو الکترود فلزی (برای تشکیل یک ترانزیستور در ابعاد نانو) را مدیریت می‌کنند. این پژوهش‌گران ناحیه‌ی کوچک مثلثی شکل از یک فلز را در داخل ورقه‌ی نیم‌رسانایی از مولیبدینت (تصویر بالا) تولید کرده‌اند که مثل یک نقطه‌ی کوانتومی عمل می‌کند.

این پژوهش در Nature Nanotechnology توصیف شده است.

درباره‌ی نویسنده:

بل دامی (Belle Dumé) کمک‌ویراستاری در nanotechweb.org است.

منبع: