Ученые из Сколтеха, Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (Германия), Нанкинского университета (Китай) и Национального института материаловедения (Япония) разработали метод для прецизионной функционализации двумерных полупроводников органическими молекулами. В основе концепции лежит метод молекулярной самосборки наноструктур из ДНК, называемых ДНК-оригами, которые несут молекулы органических красителей.
ДНК-оригами позиционируются на чипах, затем перекрываются слоем двумерного полупроводника. В будущем метод можно будет использовать для создания элементов миниатюрных высокопроизводительных вычислителей, детекторов и других устройств, сообщили в пресс-службе Сколтеха.
Вдохновленные графеном атомарно тонкие полупроводниковые материалы, такие как дисульфид молибдена, способны сделать электронные и оптические устройства более миниатюрными и более эффективными, чем при использовании традиционных полупроводников, вроде кремния. Однако при работе на столь малом масштабе возникают сложности наноструктурирования: создание строго определенного паттерна из функциональных каналов на двумерном материале требует предельной точности, недоступной современным технологиям.
«Есть два основных подхода к созданию „ландшафта“ путей распространения экситонов в монослое двумерного полупроводника. Можно вносить в однородную структуру материала разного рода дефекты, но пока достичь при этом нанометровой точности не получается. Другой подход заключается в нанесении органических молекул на монослой полупроводника, однако существующие методы нанесения молекул не позволяют точно контролировать их положение в гибридной структуре», — рассказала один из авторов исследования, старший преподаватель Центра инженерной физики Сколтеха Ирина Мартыненко.
Научная группа предложила и испытала способ упорядоченного нанесения молекул органических красителей на монослой дисульфида молибдена методами ДНК-оригами: для этого проектируются наноструктуры из ДНК размером около 100 нанометров, несущие на себе молекулы красителей в заранее известных местах. Полученная конструкция помещается на чип и накрывается двумерным полупроводником.
«Наши эксперименты показывают, во-первых, что самосборка структур ДНК-оригами с красителями выполняется корректно. Во-вторых, наблюдается резонансный перенос энергии между молекулами красителей и монослоем дисульфида молибдена. Именно этот механизм обеспечивает обмен энергии между материалами и тем самым позволяет управлять свойствами полупроводника на наномасштабе. Наглядно этот эффект можно наблюдать на снимках фотолюминесценции, где треугольный монослой дисульфида молибдена излучает более-менее равномерно на длине волны, на которой не поглощают свет красители. В то же время на длине волны, на которой красители свет поглощают, излучение более интенсивно именно в областях нанесения паттерна», — добавил соавтор исследования, доцент Центра инженерной физики Сколтеха Анвар Баймуратов.
Показав, что ДНК-оригами может использоваться для того, чтобы надежно и точно структурировать энергетический ландшафт двумерного полупроводника на наномасштабе, ученые намерены в качестве следующего шага предпринять попытку реализовать конкретные наноэлектронные и нанофотонные устройства с использованием этого принципа. В будущем наноструктурированные гибридные материалы такого рода могут лечь в основу компактных и высокопроизводительных устройств для оптических вычислений, квантовых симуляций, детектирования света и др.
Исследование опубликовано в журнале Small Methods.
