Перспективы применения дисульфидов тугоплавких металлов, страница 2

ДНК проталкивается через нанопору электрическим током, и колебания тока впериод прохождения через нее биомолекулы позволяют определить ее нуклеотиднуюпоследовательность, так как каждая из четырех букв алфавита ДНК немного отличаетсяпо форме и размеру.Рисунок 2 – Молекула ДНК проходит через нанопору в слое дисульфидамолибденаБольшинство материалов, используемых для секвенирования ДНК с помощьюнанопор, имеют значительный недостаток: они слишком толстые.

Толщина даже оченьтонкой пластины большинства материалов больше размера несколько звеньев цепи ДНК,что делает невозможным точное определение ее нуклеотидной последовательности.Один из самых часто используемых для секвенирования ДНК материалов – графен,так как он представляет собой одноатомный слой углерода, что означает, чтоодномоментно через пору проходит только одно основание. К сожалению, с графеномтоже связан ряд проблем, и наиболее значимая из них – прилипание к нему молекулыбиополимера.

Взаимодействие ДНК с графеном индуцирует большое количества шума,что сильно затрудняет считывание тока.MoS2 тоже представляет собой одноатомный слой, достаточно тонкий для того,чтобы одномоментно через нанопору проходила только одна буква ДНК. Установлено,что ДНК не прилипает к MoS2 и проходит через пору аккуратно и быстро.7Компьютерное моделирование секвенирования на основе MoS2 дало четыреразличных сигнала, соответствующих основаниям двухцепочечной молекулы ДНК.Другие системы дают в лучшем случае два – A/T и C/G, – которые затем требуютсложного вычислительного анализа, чтобы отличить А от Т и С от G.В перспективе можно будет создать персональное устройство для секвенированияДНК.

Карта ДНК может помочь предотвратить или обнаружить ряд заболеванийсвязанных с генами на самых ранних стадиях развития. [7]ПьезоэлектрогенераторСам по себе пьезоэлектрический эффект уже нашел самое широкое применение вобласти генерирования энергии, датчиках, акустических излучателях, точных системахмеханического перемещения, пьезоэлектрических двигателях, типографии и многоедругое.Физики уже описали теоритически пьезоэффект в двумерных материалах,последние исследования показали, что такой эффект действительно есть.Сверхтонкий дисульфида молибдена может проявлять пьезоэлектрический эффектс учётом некоторых условий:необходимо использовать нечётное число слоёв материаласгибать лист нужно в строго определённом направленииИспользуемое вещество является высокополярным, и потому чётное количествослоёв приведёт к исчезновению пьезоэлектрического эффекта, а кристаллическаяструктураматериалапозволяетпроявитьсяэффектутолькоприопределённойконфигурации.Чтобы проявлялся пьезоэлектрический эффект, у материала должна отсутствоватьцентральная симметрия.

Один атомный слой дисульфида молибдена обладает именнотакой структурой, тем не менее, у трёхмерного материала последовательные слоиориентированы в противоположных направлениях и генерируют положительные иотрицательные напряжения, которые компенсируют друг друга, и дают нулевойпьезоэлектрический эффект.Сверхтонкий материал толщиной всего в один атом в перспективе можно будетиспользовать для изготовления носимых устройств, которые преобразовывают энергиютела пользователя в электроэнергию, которая будет питать носимые датчики,медицинские устройства или даже заряжать смартфоны в кармане.

[8]8Рисунок 3 – Согнутая подложка с нанесенным слоем MoS2 : положительные иотрицательные заряды появились при растяжении слоя MoS2Полупроводниковый диодУровень миниатюризации современной электроники постепенно и неуклонноприближается к уровню отдельных молекул и атомов, обещая появление в скоромбудущеммалогабаритныхвычислительныхсистем,обладающихогромнойвычислительной мощностью, и потребительских электронных устройств, способныхвыполнять богатый набор функций, которые еще несколько лет назад могли считатьсячем-то из разряда научной фантастики.

Все это становится возможным благодарясозданию и исследованиям свойств материалов одноатомной толщины, среди которыхсамыми известными являются углеродные нанотрубки, графен и дисульфид молибдена(молибденит).Полупроводниковый диод состоит из единственного p-n перехода, который можетбыть получен путём объединения части пленки моно дисульфида молибдена с углеродной9нанотрубкой. Такойдиод обладает уникальными электрическими характеристиками,которые совершенно не свойственны обычным кремниевым диодам.Такой диод обладает отличными от обычного диода электронными свойствами, атак же и высокую чувствительность к свету.

Это позволяет создать ультраскоростнойсветочувствительный датчик, который может быть настроен на определенную длинуволны света с помощью внешнего электронного управления. [9]10Рисунок 4 – Микроскопия и изготовление s-SWCNTs/SL-MoS2 диодов.A) Снимок сканирующей электронной микроскопии диода в неверном цвете, масштабнаялинейка белого цвета длиной в 2,5 мкм.

Желтые области – это верхние и нижние золотыеэлектроды. Оксид алюминия (синяя область) служит маской для изоляции части чешуйкиSL-MoS2 (SL- single layer, т.е. монослой) (фиолетовый цвет). Розовой областью обозначенаслучайная сеть полупроводниковых одностеных углеродных нанострубок (SWCNTs –semiconducting single-walled carbon nanotubes) (p-тип) в непосредственном контакте соткрытой частью SL-MoS2 чешуйки (n-тип) для формирования p-n диода (темно-красный)B) Оптическая микрофотография показывает устройство в меньшем увеличении.

Границыобозначенные жёлтым пунктиром указывают на SL-MoS2 чешуйку, белая границапоказывает область s-SWCNT плёнки. Электроды 1 и 2 формируют n-типа (SL-MoS2)полевой транзистор, который изолирован плёнкой оксида алюминия (синий). Электроды 2и 3 формируют p-n переход, а 3-4 и 4-5 формируют p-типа s-SWCNTs полевыетранзисторы. (масштабная линейка 10 мкм)C) Схема процесса изготовления: (I) SL-MoS2 полевой транзистор и дополнительная параэлектродов изготовлены с помощью электронной литографии на подложке SiO2/Siтолщиной в 300 нм. Кремниевая подложка выступает, как общий задний затвор. (II) TheMoS2 полевой транзистор изолирован плёнкой оксида алюминия нанесённой ALDметодом.

(III) перенос s-SWCNT сети, для того, чтобы получить конечную конфигурациюустройства состоящего из верхнего контакта SL-MoS2 полевого транзистора, нижнегоконтакта s-SWCNT полевого транзистора и p-n перехода.11Рисунок 5 – Световой отклик p-n переходаA) Снимок сканирующего фототока на полупроводниковом приборе показывает границыSL-MoS2 чешуйки (фиолетовая пунктирная линия) и s-SWCNT плёнку (краснаяпунктирная линия) при 700 нм и 20 мкВ, при напряжениях VD (s-SWCNT электрод) иVG = 0 VОбласти высокого отрицательного фототока наблюдаются в зоне перекрытия перехода.Оксид алюминия и электроды обозначены синими и желтыми пунктирными линиямисоответственно.B) Спектр фототока при условиях освещения и нулевого смещения.

Амплитуда фототоканаивысшая в характерных зонах максимума поглощения энергии SL-MoS2 и s-SWCNTs.Спектр фототока получен при одинаково падении напряжения в 30 мкВ.C) Выходные кривые одного и того же устройства в темноте и при полном освещении надлине волны 650 нм.D) Спектральный отклик фототока может быть настроен с помощью напряжения назатворе.

С уменьшением напряжения на затворе, увеличением p-легирования нанотрубоки сопутствующего уменьшения n-легирования дисульфида молибдена приводит куменьшению фототока в области ближнего инфракрасного диапазона.12ЗаключениеВ данной работе рассмотрены последние исследования по заявленной теме.Представленный набор исследований показывает перспективы применения дисульфидовтугоплавких металлов в самых разных отраслях науки и техники, начиная от медицины изаканчиваягенерированиемэнергииинаноэлектроникой.Посравнениюсисследованиями упомянутыми во введении, работы из основной части текста новее.Видена эволюция «сферы интересов» приминения SL-MoS2: она растет, как экстенсивно,захватывая новые области человеческой деятельности, так и интенсивно, создаваяэкспериментальные диоды в наноэлектронике. На примере молекулярно тонкогодисульфида молибдена видна общая тенденция наноматериалов в целом к широтеперспектив использования.