دانشمندان روشی نوین برای چیدمان دقیق مولکولها روی نیمهرساناهای دوبعدی ارائه کردهاند. در این روش، اوریگامی DNA نقش حامل و الگودهنده را ایفا میکند. این دستاورد میتواند راه را برای ساخت ابزارهای بسیارکوچک و پرکارای در آینده هموار کند.
به گزارش هیچ یک از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، پژوهشگران مؤسسه علم و فناوری اسکولکوفو روسیه (Skolkovo Institute of Science and Technology – Skoltech) بههمراه همکارانی از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیان مونیخ آلمان (Ludwig Maximilian University of Munich)، دانشگاه نانجینگ چین (Nanjing University) و مؤسسه ملی علم مواد ژاپن (National Institute for Materials Science)، روشی نوآورانه برای نشاندن کنترلشده مولکولهای آلی روی یک نیمهرسانای دوبعدی توسعه دادهاند.
این روش که در قالب یک مطالعه اثبات مفهوم ارائه شده، از ساختارهای خودآرای «اوریگامی DNA» برای حمل و جانمایی دقیق رنگینههای آلی در الگوهایی از پیشتعریفشده استفاده میکند؛ الگوهایی که سپس با یک لایه نیمهرسانای دوبعدی پوشانده میشوند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی «اسمال متدز» (Small Methods) منتشر شده و از آن بهعنوان گامی مهم در مسیر مهندسی دقیق خواص نوری و الکترونیکی مواد دوبعدی یاد میشود.
در این ساختار هیبریدی، یک زیرلایه دیاکسید سیلیکون در پایین قرار دارد، روی آن سازه اوریگامی DNA با آرایش مثلثی جای گرفته و مولکولهای رنگی آلی را در خود حمل میکند. این مولکولها به اندازهای به لایه دوبعدی دیسولفید مولیبدن نزدیک هستند که امکان تبادل انرژی میان آنها فراهم میشود.
الهامبخش اصلی این مسیر پژوهشی، گرافن بوده است؛ مادهای که آغازگر توجه گسترده به خانوادهای تازه از نیمهرساناهای فوقنازک با ضخامت اتمی شد. موادی مانند دیسولفید مولیبدن این نوید را میدهند که ابزارهای الکترونیکی و اپتیکی آینده نهتنها کوچکتر، بلکه کارآمدتر از نمونههای مبتنی بر نیمهرساناهای متعارف مانند سیلیکون باشند. با این حال، کار در این مقیاس به چالشی اساسی منجر میشود: چگونه میتوان در یک صفحه دوبعدی، مسیرهای عملکردی دقیق و قابلکنترل ایجاد کرد؟
به گفته ایرینا مارتیننکو، استادیار فیزیک در اسکولتک و از نویسندگان این پژوهش، تاکنون دو راهبرد اصلی برای شکلدهی «چشمانداز انرژی» در نیمهرساناهای دوبعدی مطرح بوده است. نخست، ایجاد نقصهای ساختاری در شبکه ماده که بتوانند هدایت برانگیختگیها یا اکسایتونها را کنترل کنند؛ روشی که هنوز امکان اجرای آن با دقت نانومتری وجود ندارد.
راهبرد دوم، نشاندن مولکولهای آلی روی تکلایه نیمهرسانا است، اما تا پیش از این، این کار بهشکل تصادفی انجام میشد و همین بینظمی، کارایی ابزارهای حاصل را محدود میکرد.
در این پژوهش، تیم علمی موفق شده است با استفاده از اوریگامی DNA، این مانع اساسی را برطرف کند. آنها ساختارهای DNA در ابعاد حدود ۱۰۰ نانومتر طراحی کردهاند که مولکولهای رنگی را دقیقاً در نقاطی مشخص حمل میکنند.
این سازهها روی تراشه قرار میگیرند و سپس با یک لایه تکاتمی از دیسولفید مولیبدن پوشانده میشوند. نتیجه، مادهای هیبریدی است که در آن، الگوی مولکولی از پیشطراحیشده میتواند خواص نوری نیمهرسانا را در مقیاس نانو شکل دهد.
به گفته انور بایموراتف، دانشیار فیزیک در اسکولتک و از دیگر نویسندگان مقاله، آزمایشها نشان دادهاند که سازههای اوریگامی DNA بهدرستی مونتاژ میشوند و پدیده «انتقال انرژی تشدیدی فورستر» میان مولکولهای رنگی و لایه دیسولفید مولیبدن رخ میدهد.
این پدیده امکان تبادل انرژی میان دو ماده را فراهم میکند و از همین مسیر است که میتوان ویژگیهای نیمهرسانا را با الگویی نانومتری مهندسی کرد.
تصاویر فوتولومینسانس بهدستآمده بهروشنی این موضوع را نشان میدهند. در نواحیای از ورقه مثلثی دیسولفید مولیبدن که زیر آنها مولکولهای رنگی قرار گرفتهاند، شدت تابش نور بهطور محسوسی افزایش مییابد؛ در حالی که در سایر بخشها، گسیل نور یکنواختتر است. این تفاوت، شاهدی مستقیم بر اثرگذاری الگوی مولکولی طراحیشده با اوریگامی DNA است.
اکنون که امکان الگودهی دقیق و قابلاعتماد چشمانداز انرژی در نیمهرساناهای دوبعدی به اثبات رسیده است، پژوهشگران قصد دارند از این روش برای ساخت ادوات نانوالکترونیکی و نانوفوتونیکی مشخص بهره ببرند.
در چشمانداز بلندمدت، چنین مواد هیبریدی نانوساختار میتوانند به طراحی ابزارهای فشرده و پرکارایی برای محاسبات نوری، شبیهسازیهای کوانتومی و آشکارسازی نور منجر شوند؛ ابزارهایی که تعریف تازهای از مرزهای فناوری ارائه خواهند داد.
