Em 5 de junho, uma equipe de pesquisa liderada pela Universidade de Tóquio, no Japão, conseguiu preparar nanotubos semicondutores de dissulfeto de molibdênio de parede única com apenas 1 nanômetro de diâmetro, cerca de um centésimo de milésimo da espessura de um fio de cabelo humano. O resultado foi publicado na revista Science e é considerado um dos menores nanotubos semicondutores já produzidos globalmente, oferecendo um novo caminho experimental para canais semicondutores ultrapequenos, dispositivos eletrônicos miniaturizados de próxima geração e pesquisas de materiais em escala nanométrica.
O avanço central deste trabalho reside no fato de que a equipe não seguiu a rota tradicional de preparação de nanotubos. Em vez disso, utilizaram nanotubos de nitreto de boro como "molde" externo e estrutura de proteção, introduzindo reações químicas no espaço extremamente estreito em seu interior, permitindo que o dissulfeto de molibdênio formasse nanotubos de parede única em um ambiente confinado. O dissulfeto de molibdênio é um importante material semicondutor bidimensional, amplamente estudado em transistores, sensores, dispositivos optoeletrônicos e pesquisas de materiais de baixa dimensão. No entanto, prepará-lo de forma estável em uma estrutura tubular com apenas 1 nanômetro de diâmetro, estrutura atômica clara e alta uniformidade é muito mais desafiador do que filmes finos comuns ou nanotubos de diâmetro maior. A equipe aproveitou o confinamento espacial dos nanotubos de nitreto de boro para permitir que os nanotubos ultrafinos de dissulfeto de molibdênio, que normalmente não se formam facilmente, crescessem em seu interior, e confirmaram suas características estruturais por meio de microscopia eletrônica avançada e análise química. O nitreto de boro possui boas propriedades isolantes, e os nanotubos de dissulfeto de molibdênio, localizados em seu interior, formam uma estrutura coaxial onde nanotubos semicondutores são revestidos por nanotubos isolantes. Essa estrutura tem potencial relação com arquiteturas avançadas de dispositivos, como transistores de porta circundante. Para transistores de tamanhos ainda menores no futuro, o canal semicondutor não precisa apenas ser suficientemente fino, mas também manter estabilidade estrutural e consistência de desempenho em nível atômico; pequenas imperfeições ou diferenças estruturais no material podem causar flutuações significativas nas propriedades elétricas, afetando, em última instância, a confiabilidade do dispositivo.
O diâmetro de 1 nanômetro é o número mais intuitivo e crucial deste estudo.
A pesquisa também validou uma previsão teórica com cerca de 25 anos: à medida que o diâmetro dos nanotubos de dissulfeto de molibdênio diminui, seu bandgap também se reduz. O bandgap determina o comportamento eletrônico do material como semicondutor e é um dos parâmetros importantes para avaliar se o material pode ser usado em dispositivos eletrônicos. No passado, modelos teóricos já sugeriam que nanotubos ultrafinos de dissulfeto de molibdênio poderiam exibir propriedades eletrônicas diferentes das estruturas maiores, mas, devido às limitações de preparação, era difícil obter amostras suficientemente pequenas, uniformes e com estrutura atômica clara em nível experimental. Este estudo comprimiu o diâmetro para a escala de 1 nanômetro, mantendo a estrutura de parede única e um arranjo atômico definido, permitindo que a teoria relacionada finalmente tivesse uma validação experimental mais direta. Em comparação com os nanotubos de carbono, a vantagem potencial dos nanotubos de dissulfeto de molibdênio reside no controle da estrutura e das propriedades semicondutoras. Embora os nanotubos de carbono sejam há muito considerados materiais candidatos importantes para dispositivos eletrônicos miniaturizados, suas propriedades elétricas são altamente sensíveis à quiralidade e às diferenças estruturais; pequenas variações podem fazer com que o material apresente caráter metálico ou semicondutor, representando desafios para a fabricação em larga escala com consistência. Se os nanotubos de dissulfeto de molibdênio puderem alcançar um controle mais estável em termos de tamanho, arranjo atômico e propriedades semicondutoras, poderão oferecer uma nova opção para a construção de dispositivos de canal ultrapequeno com maior consistência. A tecnologia semicondutora baseada em silício, em seu processo contínuo de miniaturização, também enfrenta limitações como precisão de gravação, defeitos de interface, efeitos de canal curto e danos ao material, tornando as estruturas tubulares semicondutoras em escala nanométrica uma direção importante para explorar morfologias de dispositivos na era pós-silício.
Este estudo ainda está distante de uma aplicação industrial real. Atualmente, os nanotubos de dissulfeto de molibdênio preparados têm apenas algumas centenas de nanômetros de comprimento, ainda aquém dos requisitos de comprimento, consistência, controle de posicionamento e capacidade de conexão de eletrodos necessários para a fabricação de dispositivos e integração em escala. A equipe de pesquisa planeja, como próximo passo, aumentar o comprimento dos nanotubos para cerca de 1 micrômetro e continuar explorando se este método de síntese em espaço confinado pode ser estendido a outros materiais de nanotubos inorgânicos, incluindo materiais magnéticos e supercondutores. Se o método for replicável, seu significado não se limitará ao dissulfeto de molibdênio, mas poderá evoluir para uma plataforma de preparação geral para nanotubos inorgânicos com precisão atômica. Para a indústria de semicondutores, o que realmente importa é se a descoberta de materiais pode ser transformada em estruturas de dispositivos que possam ser fabricadas, conectadas, testadas e operadas de forma estável; para a ciência básica, este resultado já provou que reações químicas em espaço confinado podem ajudar os pesquisadores a acessar escalas de nanotubos ultrafinos anteriormente inatingíveis e observar o impacto direto das mudanças de diâmetro na estrutura eletrônica. No futuro, dispositivos eletrônicos miniaturizados, sensores de alta resolução, pesquisas físicas em escala quântica e o desenvolvimento de novos materiais semicondutores de baixa dimensão podem todos obter novos espaços de design a partir dessas nanoestruturas controladas em nível atômico.
Do ponto de vista da inovação tecnológica, o avanço da equipe da Universidade de Tóquio oferece uma solução material diferente do processamento tradicional de silício e da rota dos nanotubos de carbono. O surgimento de nanotubos semicondutores de dissulfeto de molibdênio de 1 nanômetro indica que a competição de ponta em dispositivos eletrônicos miniaturizados continua a se estender para o controle estrutural em nível atômico. Quem conseguir controlar de forma mais estável o tamanho do material, a estrutura da interface e as propriedades eletrônicas terá maior probabilidade de obter vantagem tecnológica em futuros transistores ultrapequenos, nanossensores e novos dispositivos funcionais.