Tuoreimmassa Science-lehdessä julkaistun raportin mukaan Tokion yliopiston johtama tutkimusryhmä on onnistuneesti valmistanut yhden seinän molybdeenidisulfidi (MoS₂) puolijohdemolekyyliputken, jonka halkaisija on vain 1 nanometri, noin satatuhatta kertaa ohuempi kuin ihmisen hius, käyttäen boorinitridiputkia (BN) mallina. Rakenne on tähän mennessä maailman pienin puolijohdemolekyyliputki. Saavutus vahvistaa paitsi vuosikymmeniä sitten esitetyt teoriat ultrakevyiden materiaalien sähköisistä ominaisuuksista, myös tarjoaa uuden lähestymistavan seuraavan sukupolven pienennettävien elektronisten laitteiden kehittämiseen.
Hiilinanoputket nostivat aikoinaan laajaa huomiota erinomaisista mekaanisista ja sähköisistä ominaisuuksistaan. Kuitenkin huolimattomat erot niiden atomirakenteessa voivat merkittävästi vaikuttaa niiden sähkönjohtavuuteen, mikä luo haasteita transistorisovelluksille. Sen sijaan MoS₂ on luonnostaan puolijohteellinen materiaali, jolla on laaja potentiaali puolijohteisten elektronisten laitteiden, herkkyyden omaavien antureiden ja kvanttifysiikan tutkimuksessa. Kuitenkin, kun nanoputken halkaisijat pienenevät, rakenteellinen vakaus ja valmistuksen vaikeus kasvavat jyrkästi. Ultrakevyt MoS₂ nanoputkien tuottaminen hallituilla rakenteilla on siksi jäänyt suureksi haasteeksi materiaalitieteessä.
Voittaakseen tämän rajoituksen tutkimusryhmä suoritti kemiallisia reaktioita BN nanoputkien kapeassa sisätilassa, synnyttäen yhden seinän MoS₂ nanoputkia, joiden halkaisija on vain 1 nanometri ja selkeästi määritelty atomirakenne. Tutkijat totesivat, että tämä rajoitettu tila mahdollisti ultrakevyt MoS₂ nanoputkien kasvun, joita muuten olisi vaikeaa muodostaa, samalla edistäen järjestäytynyttä atomijärjestystä ja tuottaen hyvin yhtenäisiä materiaaleja, joilla on tarkasti määritellyt rakenteet.
Tutkimus havaitsi, että kaista-aukko pienenee, kun nanoputken halkaisija pienenee, vahvistaen 25 vuotta sitten esitettyä teoriaa.
Perinteiset nanoputkien valmistusmenetelmät tuottavat tyypillisesti moniseinäisiä nanoputkia, joiden halkaisijat ovat suurempia kuin 10 nanometriä, ja niiden atomirakenteita on usein vaikeaa hallita tarkasti. Nanoskaalassa jopa äärimmäisen pienillä rakenteellisilla eroilla voi olla merkittävä vaikutus materiaalin suorituskykyyn. Atomitason rakenteellisen hallinnan saavuttaminen on siksi erittäin tärkeää tulevaisuuden laitesovelluksille.
Nykyiset puolijohdeteknologiat kohtaavat yhä enemmän vaikeuksia rakenteellisen täydellisyyden ylläpitämisessä, kun laitteet pienenevät, ja viat vaikuttavat enemmän pienemmillä mittakaavoilla. Hiilinanoputket kohtaavat samankaltaisia haasteita. MoS₂ nanoputket voivat tarjota etuja mitatason hallinnassa ja atomirakenteen yhdenmukaisuuden saavuttamisessa, tarjoten mahdollisen uuden reitin ultrapienentävien puolijohteiden kanavien rakentamiseen.
Saavutus on yhä kaukana käytännön sovelluksesta. Tällä hetkellä tuotetut nanoputket ovat vain useita satoja nanometrejä pitkiä. Tutkimusryhmä aikoo pidentää niiden pituutta noin 1 mikrometriin, eli 1 000 nanometriin, sekä tutkia, voidaanko samaa menetelmää käyttää muiden epäorgaanisten nanoputkimateriaalien, mukaan lukien magneettisten ja supertyhjöiden materiaalien, valmistamiseen.