(Phys.org) —En una nueva investigación pionera en la Universidad de Columbia, Los científicos han cultivado cristales de disulfuro de molibdeno (MoS2) de alta calidad, el semiconductor más delgado del mundo, y estudió cómo estos cristales se unen a escala atómica para formar láminas continuas. A través de hermosas imágenes de estrellas y triángulos sorprendentemente simétricos de cientos de micrones de diámetro, han descubierto información clave sobre las propiedades ópticas y electrónicas de este nuevo material, que puede ser conductor o aislante para formar el "interruptor de encendido y apagado" básico para toda la electrónica digital. El estudio se publica el 5 de mayo de 2013, cuestión de Materiales de la naturaleza .
"Nuestra investigación es la primera en examinar sistemáticamente qué tipos de defectos resultan de estos grandes crecimientos, e investigar cómo esos defectos cambian sus propiedades, "dice James Hone, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering, quien dirigió el estudio. "Nuestros resultados ayudarán a desarrollar formas de utilizar este nuevo material en componentes electrónicos atómicamente delgados que se convertirán en componentes integrales de toda una nueva generación de productos revolucionarios, como las células solares flexibles que se ajustan a la carrocería de un automóvil".
Esta colaboración multidisciplinaria del Centro de Investigación Energy Frontier de la Universidad de Columbia con el Instituto Kavli de Ciencias a Nanoescala de la Universidad de Cornell se centró en el disulfuro de molibdeno debido a su potencial para crear cualquier cosa, desde el altamente eficiente, células solares flexibles a pantallas táctiles adaptables. Un trabajo anterior de Columbia demostró que la monocapa MoS2 tiene una estructura electrónica distinta de la forma a granel, y los investigadores están entusiasmados con la exploración de otros dicalcogenuros metálicos atómicamente delgados, que debería tener propiedades igualmente interesantes. MoS2 pertenece a una clase de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición, que pueden ser metales, semiconductores, dieléctricos e incluso superconductores.
"Este material es el más nuevo de una creciente familia de cristales bidimensionales, "dice Arend van der Zande, investigador del Columbia Energy Frontier Research Center y uno de los tres autores principales del artículo. "Grafeno, una sola hoja de átomos de carbono, es el conductor eléctrico más delgado que conocemos. Con la adición de disulfuro de molibdeno monocapa y otros dicalcogenuros metálicos, tenemos todos los componentes básicos de la electrónica moderna que deben crearse en forma atómicamente delgada. Por ejemplo, ahora podemos imaginar intercalando dos dicalcogenuros de metales de transición monocapa diferentes entre capas de grafeno para hacer células solares que tienen solo ocho átomos de espesor, ¡20 mil veces más pequeñas que un cabello humano! "
Hasta el año pasado, la mayoría de los experimentos que estudian MoS2 se realizaron mediante un proceso llamado exfoliación mecánica, que solo produce muestras de unos pocos micrómetros de tamaño. "Si bien estos pequeños especímenes están bien para estudios científicos, "señala Daniel Chenet, un doctorado en el laboratorio de Hone y otro autor principal, "Son demasiado pequeños para su uso en cualquier aplicación tecnológica. Es fundamental averiguar cómo cultivar estos materiales a gran escala".
Para estudiar el material, los investigadores refinaron una técnica existente para crecer, cristales simétricos de hasta 100 micrones de ancho, pero solo tres átomos de espesor. "Si pudiéramos expandir uno de estos cristales al grosor de una hoja de envoltura de plástico, sería lo suficientemente grande para cubrir un campo de fútbol y no tendría átomos desalineados, "dice Pinshane Huang, estudiante de doctorado en el laboratorio David Muller en Cornell y tercer autor principal del artículo.
Para usar en muchas aplicaciones, estos cristales deben unirse en hojas continuas como parches en una colcha. Las conexiones entre los cristales, llamados límites de grano, puede ser tan importante como los cristales mismos para determinar el rendimiento del material a gran escala. "Los límites de los granos se vuelven importantes en cualquier tecnología, "dice Hone". Diga, por ejemplo, queremos hacer una celda solar. Ahora necesitamos tener metros de este material, no micrómetros, y eso significa que habrá miles de límites de granos. Necesitamos entender lo que hacen para poder controlarlos ".
El equipo utilizó microscopía electrónica de resolución atómica para examinar los límites de grano de este material, y vi líneas de átomos desalineados. Una vez que supieron dónde encontrar los límites de grano, y como se veían el equipo pudo estudiar el efecto de un límite de un solo grano en las propiedades del MoS2. Para hacer esto, construyeron pequeños transistores, el componente más básico de toda la electrónica, fuera de los cristales y vi que el sencillo, Una línea defectuosa de átomos en los límites de los granos podría cambiar drásticamente las propiedades electrónicas y ópticas clave del MoS2.
"Hemos avanzado mucho en el control del crecimiento de este nuevo nanomaterial 'maravilloso' y ahora estamos desarrollando técnicas para integrarlo en muchas tecnologías nuevas, "Hone agrega." Estamos apenas comenzando a rascar la superficie de lo que podemos hacer con estos materiales y cuáles son sus propiedades. Por ejemplo, podemos eliminar fácilmente este material del sustrato de crecimiento y transferirlo a cualquier superficie arbitraria, que nos permite integrarlo a gran escala, electrónica flexible y células solares ".
La síntesis cristalina, medidas ópticas, medidas electronicas, y la teoría fueron todos realizados por grupos de investigación de Columbia Engineering. El crecimiento y las mediciones eléctricas fueron realizadas por el laboratorio de Hone en ingeniería mecánica; las mediciones ópticas se llevaron a cabo en el laboratorio de física Tony Heinz. El modelado estructural y los cálculos de la estructura electrónica fueron realizados por el laboratorio de química David Reichman. La microscopía electrónica fue realizada por expertos en imágenes atómicas en el laboratorio David Muller de la Escuela de Física Aplicada e Ingeniería de la Universidad de Cornell. y el Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala.
