Учёные из «Сколтеха», Мюнхенского университета имени Людвига и Максимилиана (Германия), Нанкинского университета (Китай) и Национального института материаловедения (Япония) представили технологию прецизионной функционализации двумерных полупроводников органическими молекулами. Метод основан на молекулярной самосборке ДНК-оригами — наноструктур из ДНК, которые несут молекулы органических красителей.
ДНК-оригами позиционируются на чипах, затем перекрываются слоем двумерного полупроводника. В будущем технология может применяться для создания элементов миниатюрных высокопроизводительных вычислителей, детекторов и других устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Small Methods.
Проблема наноструктурирования двумерных материалов
Атомарно тонкие полупроводниковые материалы, такие как дисульфид молибдена, способны сделать электронные и оптические устройства более миниатюрными и эффективными по сравнению с традиционными полупроводниками вроде кремния. Однако работа на столь малых масштабах сталкивается со сложностями наноструктурирования: создание строго определённого паттерна из функциональных каналов на двумерном материале требует предельной точности, недоступной современным технологиям.
Существуют два основных подхода к созданию «ландшафта» путей распространения экситонов в монослое двумерного полупроводника. Первый — внесение дефектов в однородную структуру материала, но достичь при этом нанометровой точности пока не удаётся. Второй заключается в нанесении органических молекул на монослой полупроводника, однако существующие методы не позволяют точно контролировать их положение в гибридной структуре.
«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», — пояснила Ирина Мартыненко, один из авторов исследования, старший преподаватель Центра инженерной физики «Сколтеха».
Метод ДНК-оригами для упорядоченного нанесения молекул
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, на которых 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», — рассказал соавтор исследования Анвар Баймуратов, доцент Центра инженерной физики «Сколтеха».
Показав, что ДНК-оригами может использоваться для надёжного и точного структурирования энергетического ландшафта двумерного полупроводника на наномасштабе, учёные намерены в качестве следующего шага 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 других приложений.