Un equipo de investigación dirigido por la UCLA ha producido con un detalle sin precedentes mapas tridimensionales experimentales de los átomos en un material llamado 2-D:materia que no es realmente bidimensional pero que es casi plana porque está dispuesta en capas extremadamente delgadas. no más de unos pocos átomos de espesor.

Aunque las tecnologías basadas en materiales 2-D aún no se han utilizado ampliamente en aplicaciones comerciales, los materiales han sido objeto de considerable interés de investigación. En el futuro, podrían ser la base de los semiconductores en la electrónica cada vez más pequeña, componentes de computadora cuántica, baterías más eficientes, o filtros capaces de extraer agua dulce del agua salada.

La promesa de los materiales 2-D proviene de ciertas propiedades que difieren de cómo se comportan los mismos elementos o compuestos cuando aparecen en mayores cantidades. Esas características únicas están influenciadas por los efectos cuánticos, fenómenos que ocurren a escalas extremadamente pequeñas que son fundamentalmente diferentes de la física clásica vista a escalas mayores. Por ejemplo, cuando el carbono está dispuesto en una capa atómicamente delgada para formar grafeno 2-D, es más fuerte que el acero, conduce el calor mejor que cualquier otro material conocido, y tiene una resistencia eléctrica casi nula.

Pero el uso de materiales 2-D en aplicaciones del mundo real requeriría una mayor comprensión de sus propiedades, y la capacidad de controlar esas propiedades. El nuevo estudio, que fue publicado en Materiales de la naturaleza , podría ser un paso adelante en ese esfuerzo.

Los investigadores demostraron que sus mapas tridimensionales de la estructura atómica del material son precisos a la escala del picómetro, medida en una billonésima de metro. Utilizaron sus medidas para cuantificar defectos en el material 2-D, que pueden afectar sus propiedades electrónicas, así como para evaluar con precisión esas propiedades electrónicas.

"Lo único de esta investigación es que determinamos las coordenadas de átomos individuales en tres dimensiones sin utilizar ningún modelo preexistente, "dijo el autor correspondiente Jianwei" John "Miao, profesor de física y astronomía de UCLA. "Y nuestro método se puede utilizar para todo tipo de materiales 2-D".

Miao es el subdirector del Centro de Ciencia y Tecnología de la Fundación Nacional de Ciencias STROBE y miembro del Instituto de NanoSistemas de California en UCLA. Su laboratorio de UCLA colaboró ​​en el estudio con investigadores de la Universidad de Harvard, Laboratorio Nacional Oak Ridge y Universidad Rice.

Los investigadores examinaron una sola capa de disulfuro de molibdeno, un material bidimensional estudiado con frecuencia. Al por mayor, este compuesto se utiliza como lubricante. Como material 2-D, tiene propiedades electrónicas que sugieren que podría emplearse en la electrónica de semiconductores de próxima generación. Las muestras en estudio fueron "dopadas" con trazas de renio, un metal que agrega electrones de repuesto al reemplazar el molibdeno. Ese tipo de dopaje se usa a menudo para producir componentes para computadoras y electrónica porque ayuda a facilitar el flujo de electrones en dispositivos semiconductores.

Para analizar el material 2-D, Los investigadores utilizaron una nueva tecnología que desarrollaron basada en microscopía electrónica de transmisión de barrido. que produce imágenes midiendo electrones dispersos emitidos a través de muestras delgadas. El equipo de Miao ideó una técnica llamada tomografía electrónica atómica de barrido, que produce imágenes en 3-D capturando una muestra en múltiples ángulos mientras gira.

Los científicos tuvieron que evitar un desafío importante para producir las imágenes:los materiales 2-D pueden dañarse por una exposición excesiva a los electrones. Entonces, para cada muestra, los investigadores reconstruyeron las imágenes sección por sección y luego las unieron para formar una sola imagen tridimensional, lo que les permitió usar menos escaneos y, por lo tanto, una dosis más baja de electrones que si hubieran obtenido imágenes de toda la muestra de una vez.

Las dos muestras midieron cada una 6 nanómetros por 6 nanómetros, y cada una de las secciones más pequeñas medía aproximadamente 1 nanómetro por 1 nanómetro. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro).

Las imágenes resultantes permitieron a los investigadores inspeccionar la estructura tridimensional de las muestras con una precisión de 4 picómetros en el caso de los átomos de molibdeno, 26 veces más pequeños que el diámetro de un átomo de hidrógeno. Ese nivel de precisión les permitió medir ondas, deformación distorsionando la forma del material, y variaciones en el tamaño de los enlaces químicos, todos los cambios causados ​​por el renio agregado, lo que marca la medición más precisa de esas características en un material 2-D.

"Si asumimos que la introducción del dopante es una simple sustitución, no esperaríamos grandes tensiones, "dijo Xuezeng Tian, co-primer autor del artículo y becario postdoctoral de UCLA. "Pero lo que hemos observado es más complicado de lo que han demostrado experimentos anteriores".

Los científicos encontraron que los cambios más grandes ocurrieron en la dimensión más pequeña del material 2-D, su altura de tres átomos. Se necesitó tan poco como un solo átomo de renio para introducir tal distorsión local.

Armado con información sobre las coordenadas tridimensionales del material, Los científicos de Harvard dirigidos por la profesora Prineha Narang realizaron cálculos mecánicos cuánticos de las propiedades electrónicas del material.

"Estos experimentos a escala atómica nos han dado una nueva perspectiva sobre cómo se comportan los materiales 2-D y cómo deben tratarse en los cálculos, y podrían cambiar las reglas del juego para las nuevas tecnologías cuánticas, "Dijo Narang.

Sin acceso al tipo de mediciones generadas en el estudio, Estos cálculos de la mecánica cuántica se han basado convencionalmente en un sistema de modelo teórico que se espera a una temperatura del cero absoluto.

El estudio indicó que las coordenadas tridimensionales medidas condujeron a cálculos más precisos de las propiedades electrónicas del material bidimensional.

"Nuestro trabajo podría transformar los cálculos de la mecánica cuántica mediante el uso de coordenadas atómicas tridimensionales experimentales como entrada directa, "dijo el becario postdoctoral de UCLA Dennis Kim, co-primer autor del estudio. "Este enfoque debería permitir a los ingenieros de materiales predecir y descubrir mejor nuevos elementos físicos, propiedades químicas y electrónicas de materiales 2-D a nivel de un solo átomo ".