Al interponerse en el camino Los átomos de flúor ayudan a un material bidimensional a transformarse de un semiconductor a un metal de una manera que podría ser muy útil para la electrónica y otras aplicaciones.

Un estudio dirigido por el científico de materiales de Rice Pulickel Ajayan y el autor principal Sruthi Radhakrishnan detalla un nuevo método para transformar el disulfuro de tungsteno de un semiconductor a un estado metálico.

Otros laboratorios han logrado la transformación agregando elementos al material, un proceso conocido como dopaje, pero el cambio nunca antes había sido estable. Las pruebas y los cálculos en Rice mostraron cerraduras de disulfuro de tungsteno fluorante en el nuevo estado, que tiene propiedades ópticas y magnéticas únicas.

Los investigadores también notaron el efecto de la transformación en las propiedades tribológicas del material:una medida de fricción, lubricación y desgaste. En breve, la adición de flúor hace que el material sea más resbaladizo a temperatura ambiente.

El trabajo del laboratorio se detalla en Materiales avanzados .

El disulfuro de tungsteno es un dicalcogenuro de metal de transición (TMD), un semiconductor de un átomo de espesor. A diferencia del grafeno, que es una red plana de átomos de carbono, un TMD incorpora dos elementos, uno un átomo de metal de transición (en este caso, tungsteno) y el otro (azufre) un calcógeno. El material no es estrictamente plano; la capa de metal de transición está intercalada entre el calcógeno, formando una celosía de tres capas.

Los TMD son bloques de construcción potenciales con otros materiales 2-D para el almacenamiento de energía, electrocatálisis y lubricación, todos los cuales están influenciados por la transformación de fase ahora estable.

Debido a que los átomos de flúor son mucho más pequeños que el espacio de 0,6 nanómetros entre las capas de tungsteno y azufre, los investigadores dijeron que los átomos invasores se abren camino en el medio, interrumpiendo la celosía ordenada del material. El flúor permite que los planos de azufre se deslicen de una u otra forma, y el intercambio resultante de electrones entre el flúor y el azufre también explica las propiedades únicas.

"Sin duda fue una gran sorpresa. Cuando comenzamos este trabajo, una transformación de fase era lo último que esperábamos ver ", dijo Radhakrishnan, ex estudiante de posgrado en el laboratorio de Ajayan y ahora ingeniero de módulo en Intel Corp. en Hillsboro, Mineral.

"Es realmente sorprendente que las características de fricción del disulfuro de tungsteno fluorado sean completamente diferentes del grafeno fluorado que se estudió antes, "dijo el coautor Tobin Filleter, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Toronto. "Esta es una motivación para estudiar materiales 2-D similares para explorar un comportamiento tan interesante".

Los investigadores dijeron que el flúor parece no solo disminuir la banda prohibida y hacer que el material sea más conductor, sino que también causa defectos que crean "islas" metálicas a lo largo de la superficie del material que también muestran propiedades paramagnéticas y ferromagnéticas. "Estas regiones de disulfuro de tungsteno metálico son magnéticas e interfieren entre sí, creando interesantes propiedades magnéticas, "Dijo Radhakrishnan.

Más lejos, porque los átomos de flúor son eléctricamente negativos, también se sospecha que cambian la densidad electrónica de los átomos vecinos. Eso cambia las propiedades ópticas del material, lo que lo convierte en un candidato para aplicaciones de detección y catálisis. Radhakrishnan sugirió que los materiales también pueden ser útiles en su fase metálica como electrodos para supercondensadores y otras aplicaciones de almacenamiento de energía.

Radhakrishnan dijo que las diferentes concentraciones de flúor alteran la proporción de cambio en la fase metálica, pero el cambio se mantuvo estable en las tres concentraciones que estudió el laboratorio.

"La transformación de fase, cambio de propiedades con funcionalización por flúor y sus cambios magnéticos y tribológicos son muy emocionantes, "Ajayan dijo." Esto puede extenderse a otros materiales en capas 2-D y estoy seguro de que abrirá algunas aplicaciones cautivadoras ".