Para ver qué está impulsando el comportamiento exótico en algunos materiales atómicamente delgados, o 2-D, y descubra qué sucede cuando se apilan como ladrillos de Lego en diferentes combinaciones con otros materiales ultrafinos, los científicos quieren observar sus propiedades en las escalas más pequeñas posibles.

Entra MAESTRO, una plataforma de próxima generación para experimentos de rayos X en Advanced Light Source (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), que está proporcionando nuevas vistas a microescala de este extraño mundo 2-D.

En un estudio publicado el 22 de enero en la revista Física de la naturaleza , los investigadores se concentraron en las firmas del comportamiento exótico de los electrones en un material 2-D con resolución a microescala.

Los nuevos conocimientos obtenidos de estos experimentos muestran que las propiedades del material semiconductor 2-D que estudiaron, llamado disulfuro de tungsteno (WS2), puede ser altamente sintonizable, con posibles aplicaciones para la electrónica y otras formas de almacenamiento de información, Procesando, y transferencia.

Esas aplicaciones podrían incluir dispositivos de próxima generación generados a partir de campos de investigación emergentes como la espintrónica, excitonics y valleytronics. En estos campos, Los investigadores buscan manipular propiedades como el impulso y los niveles de energía en los electrones y las partículas homólogas de un material para transportar y almacenar información de manera más eficiente, de forma análoga al cambio de unos y ceros en la memoria de una computadora convencional.

Espintrónica, por ejemplo, se basa en el control de una propiedad inherente de los electrones conocida como espín, en lugar de su cargo; la excitónica podría multiplicar los portadores de carga en los dispositivos para mejorar la eficiencia de los paneles solares y la iluminación LED; y valleytronics usaría separaciones en las estructuras electrónicas de un material como bolsillos distintos o "valles" para almacenar información.

La señal que midieron usando MAESTRO (Observatorio de estructuras microscópicas y electrónicas) reveló una división sustancialmente mayor entre dos niveles de energía, o "bandas, "asociado con la estructura electrónica del material. Este aumento de la división es un buen augurio para su uso potencial en dispositivos espintrónicos.

Ya se sabe que WS2 interactúa fuertemente con la luz, también. Los nuevos hallazgos, junto con sus propiedades previamente conocidas, convertirlo en un candidato prometedor para la optoelectrónica, en el que la electrónica se puede utilizar para controlar la liberación de luz, y viceversa.

"Estas propiedades podrían ser muy interesantes desde el punto de vista tecnológico, "dijo Chris Jozwiak, un científico del personal de ALS que codirigió el estudio. La última investigación "en principio muestra la capacidad de cambiar estas propiedades clave con campos eléctricos aplicados en un dispositivo".

Él agregó, "La capacidad de diseñar las características de las estructuras electrónicas de este y otros materiales podría ser muy útil para hacer realidad algunas de estas posibilidades. Estamos ahora mismo a punto de poder estudiar una gran variedad de materiales, y medir su comportamiento electrónico y estudiar cómo se desarrollan estos efectos a escalas aún más pequeñas ".

El estudio también sugiere que triones, que son combinaciones exóticas de tres partículas de electrones y excitones (pares de electrones unidos y sus contrapartes "huecos" con carga opuesta), podría explicar los efectos que midieron en el material 2-D. Los agujeros y los electrones sirven como portadores de carga en los semiconductores que se encuentran en los dispositivos electrónicos populares.

Los investigadores utilizaron una forma de ARPES (espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo) en la línea de luz MAESTRO para expulsar electrones de las muestras con rayos X y aprender sobre la estructura electrónica de las muestras a partir de la dirección y la energía de los electrones expulsados. La técnica puede resolver cómo interactúan los electrones del material entre sí.

"Hay muy pocas observaciones directas de una partícula que interactúe con otras dos o más partículas, "dijo Eli Rotenberg, un científico senior de ALS que conceptualizó MAESTRO hace más de una década. Fue construido con el objetivo de observar directamente esas interacciones de "muchos cuerpos" en detalle que antes no eran posibles, él dijo. "Esto es lo que buscábamos cuando construimos la línea de luz MAESTRO".

MAESTRO, que se abrió a los científicos en 2016, también cuenta con varias estaciones que permiten a los investigadores fabricar y manipular muestras para estudios de rayos X mientras mantienen condiciones prístinas que las protegen de la contaminación. MAESTRO es una de las docenas de líneas de rayos X en la ALS que se especializan en muestras que van desde proteínas y vacunas hasta baterías y meteoritos.

Además de las medidas precisas de MAESTRO, la cuidadosa preparación de las escamas de tungsteno disfulfide en tamaño suficiente para su estudio, y su transferencia a un material base (sustrato) que no impidiera sus propiedades electrónicas ni obstruyera las mediciones de rayos X también fue vital para el éxito del último estudio, Jozwiak señaló.

Jyoti Katoch, el autor principal del estudio y científico investigador de la Universidad Estatal de Ohio, dijo, "Los materiales bidimensionales son extremadamente sensibles a su entorno, por lo que es imperativo comprender completamente el papel de cualquier perturbación externa que afecte sus propiedades ".

Katoch trabajó con Roland Kawakami, profesor de física en el estado de Ohio, en la preparación de las muestras y el diseño del experimento. Acoplaron muestras de WS2 con nitruro de boro, que proporcionó un establo, plataforma no interactiva que fue crucial para las mediciones de rayos X. Luego usaron un metal como "perilla externa" para modificar las propiedades del WS2.

"Este estudio permite dos avances críticos:proporciona una comprensión fundamental clara de cómo eliminar los efectos externos al medir las propiedades intrínsecas de los materiales 2-D, y nos permite ajustar las propiedades de los materiales 2-D simplemente modificando su entorno ".

Søren Ulstrup, un profesor asistente en la Universidad de Aarhus que había trabajado en los experimentos WS2 MAESTRO como investigador postdoctoral, adicional, "Ver las propiedades electrónicas intrínsecas de las muestras de WS2 fue un paso importante, pero quizás la mayor sorpresa de este estudio surgió cuando comenzamos a aumentar la cantidad de electrones en el sistema, un proceso llamado dopaje.

"Esto llevó al cambio dramático de la división en la estructura de la banda de WS2, " él dijo, lo que sugiere la presencia de triones.

MAESTRO puede manejar tamaños de muestra muy pequeños, del orden de decenas de micrones, señaló Rotenberg, que también es clave en el estudio de este y otros materiales 2-D. "Hay un gran impulso para resolver las propiedades de los materiales en escalas cada vez más pequeñas, " él dijo, para comprender mejor las propiedades fundamentales de los materiales 2-D, y los científicos ahora están trabajando para impulsar las capacidades de MAESTRO para estudiar características aún más pequeñas, hasta la nanoescala.

Se está acelerando la I + D para apilar capas 2-D para adaptar sus propiedades a aplicaciones especializadas, Jozwiak dijo:y MAESTRO es adecuado para medir las propiedades electrónicas de estos materiales apilados, también.

"Podemos ver un impacto muy explícito en las propiedades al combinar dos materiales, y podemos ver cómo cambian estos efectos cuando cambiamos los materiales que estamos combinando, " él dijo.

"Hay un sinfín de posibilidades en este mundo de '2-D Legos, 'y ahora tenemos otra ventana a estos fascinantes comportamientos ".