Ученые из Сколтеха, Мюнхенского университета Людвига и Максимилиана (Германия), Нанкинского университета (Китай) и Национального института материаловедения (Япония) предложили способ точной модификации двумерных полупроводников с помощью органических молекул. Разработанная концепция основана на использовании молекулярной самосборки наноструктур из ДНК, известных как ДНК-оригами, которые содержат молекулы органических красителей. ДНК-оригами размещаются на подложке, после чего на них наносится слой двумерного полупроводника. В дальнейшем данная технология может найти применение в производстве компонентов для миниатюрных, но мощных вычислительных систем, сенсоров и других приборов. Исследование опубликовано в журнале Small Methods.
Полупроводниковые материалы, имеющие атомарную толщину и вдохновлённые графеном, например дисульфид молибдена, позволяют создавать электронные и оптические устройства, превосходящие по миниатюрности и эффективности устройства на кремниевой основе. Тем не менее, при работе с такими наноразмерными структурами возникают трудности, связанные с их формированием: формирование чёткого рисунка из функциональных каналов на двумерном материале требует высокой точности, которой современные технологии пока не обладают.
«Существуют два ключевых подхода к формированию системы путей распространения экситонов в монослое двумерного полупроводника. Один из них предполагает создание дефектов в однородной структуре материала, однако на текущем этапе невозможно добиться нанометровой точности в этом процессе. Альтернативный метод заключается в нанесении органических молекул на монослой полупроводника, хотя применяемые технологии не обеспечивают точного контроля над их расположением в гибридной структуре, как отмечает один из авторов исследования, старший преподаватель Центра инженерной физики Сколтеха Ирина Мартыненко.
Ученые разработали и проверили метод контролируемого расположения молекул органических красителей на монослое дисульфида молибдена, используя технологию ДНК-оригами: для этого создаются наноструктуры из ДНК, приблизительно 100 нанометров в размерах, которые содержат молекулы красителей в определенных, заранее заданных позициях. Затем полученная конструкция размещается на чипе и покрывается двумерным полупроводником.
«Проведенные нами эксперименты демонстрируют, во-первых, успешное создание самособирающихся структур ДНК-оригами с использованием красителей. Во-вторых, зафиксирован резонансный перенос энергии между молекулами красителей и монослоем дисульфида молибдена. Этот механизм обеспечивает взаимодействие между материалами, что позволяет изменять характеристики полупроводника в наномасштабе. Наглядное подтверждение этого эффекта можно увидеть на снимках фотолюминесценции: треугольный монослой дисульфида молибдена излучает практически равномерно на длине волны, где красители не поглощают свет. При этом на длине волны, соответствующей поглощению света красителями, излучение становится более интенсивным в тех областях, где нанесен паттерн», — отметил соавтор исследования, доцент Центра инженерной физики Сколтеха Анвар Баймуратов.
Продемонстрировав способность ДНК-оригами к надёжной и точной организации энергетической структуры двумерного полупроводника в наномасштабе, исследователи планируют далее использовать этот подход для создания конкретных наноэлектронных и нанофотонных устройств. В перспективе подобные наноструктурированные гибридные материалы могут послужить основой для разработки компактных и мощных устройств, предназначенных для оптических вычислений, квантовых симуляций, обнаружения света и других приложений.