Este patrón de difracción de electrones de nanohaz de disulfuro de renio con una imagen de inserción ampliada revela un patrón de reflexión cuasi-hexagonal. Crédito:Junqiao Wu, Laboratorio de Berkeley
(Phys.org) —De super-lubricantes, a las células solares, a la incipiente tecnología de Valleytronics, Hay mucho de qué emocionarse con el descubrimiento de un nuevo semiconductor bidimensional único, disulfuro de renio, por investigadores de Molecular Foundry de Berkeley Lab. Disulfuro de renio, a diferencia del disulfuro de molibdeno y otros dicalcogenuros, se comporta electrónicamente como si fuera una monocapa 2D incluso como material a granel 3D. Esto no solo abre la puerta a aplicaciones electrónicas 2D con material 3D, también permite estudiar la física 2D con cristales 3D fáciles de hacer.
"El disulfuro de renio sigue siendo un semiconductor de banda prohibida directa, su intensidad de fotoluminiscencia aumenta mientras que su espectro Raman permanece sin cambios, incluso con la adición de un número creciente de capas, "dice Junqiao Wu, un físico de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que dirigió este descubrimiento. "Esto hace que los cristales a granel de disulfuro de renio sean una plataforma ideal para sondear la física de celosía y excitónica 2D, eludiendo el desafío de preparar grandes superficies, monocapas de monocristal ".
Wu, quien también es profesor en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de California-Berkeley, encabezó un gran equipo internacional de colaboradores que utilizaron las instalaciones de la Fundición Molecular, un centro nacional de nanociencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), para preparar y caracterizar monocapas individuales de disulfuro de renio. A través de una variedad de técnicas de espectroscopia, estudiaron estas monocapas tanto como multicapas apiladas como materiales a granel. Su estudio reveló que la singularidad del disulfuro de renio se debe a una interrupción en su simetría de red cristalina llamada distorsión de Peierls.
"Los dicalcogenuros de metales de transición semiconductores consisten en monocapas unidas por fuerzas débiles, "dice Sefaattin Tongay, autor principal de un artículo que describe esta investigación en Comunicaciones de la naturaleza de la cual Wu fue el autor correspondiente. El artículo se tituló "Comportamiento de monocapa en ReS2 a granel debido al desacoplamiento electrónico y vibratorio".
La estructura atómica de una monocapa de disulfuro de renio muestra la dimerización de los átomos de renio como resultado de los Peierls, formando una cadena de renio indicada por la línea roja en zigzag. Crédito:Junqiao Wu, Laboratorio de Berkeley
"Normalmente, las monocapas en un dicalcogenuros de metal de transición semiconductores, como el disulfuro de molibdeno, están relativamente fuertemente acoplados, pero las monocapas aisladas muestran grandes cambios en la estructura electrónica y las energías de vibración reticular, Tongay dice:"El resultado es que a granel estos materiales son semiconductores de brecha indirecta y en la monocapa son brecha directa".
Qué Tongay, Wu y sus colaboradores encontraron en sus estudios de caracterización que el disulfuro de renio contiene siete electrones de valencia en contraposición a los seis electrones de valencia del disulfuro de molibdeno y otros dicalcogenuros de metales de transición. Este electrón de valencia adicional evita un fuerte acoplamiento entre capas entre múltiples monocapas de disulfuro de renio.
"El electrón extra se comparte finalmente entre dos átomos de renio, lo que hace que los átomos se acerquen unos a otros, formando cadenas cuasi unidimensionales dentro de cada capa y creando la distorsión de Peierls en la celosía, "Tongay dice." Una vez que se produce la distorsión de Peierls, el registro entre capas se pierde en gran medida, dando como resultado un acoplamiento entre capas débil y un comportamiento de monocapa en la mayor parte ".
El débil acoplamiento entre capas del disulfuro de renio debería hacer que este material sea muy útil en tribología y otras aplicaciones de baja fricción. Dado que el disulfuro de renio también exhibe fuertes interacciones entre la luz y la materia que son típicas de los semiconductores monocapa, y dado que el disulfuro de renio a granel se comporta como si fuera una monocapa, el nuevo material también debería ser valioso para aplicaciones de células solares. También podría ser una alternativa menos costosa al diamante para Valleytronics.
En Valleytronics, el número cuántico de onda del electrón en un material cristalino se utiliza para codificar información. Este número se deriva del giro y la cantidad de movimiento de un electrón que se mueve a través de una red cristalina como una onda con picos y valles de energía. Codificar la información cuando los electrones residen en estos valles de energía mínima ofrece una nueva ruta potencial muy prometedora hacia la computación cuántica y el procesamiento de datos ultrarrápido.
"Los átomos de renio tienen un peso atómico relativamente grande, lo que significa que las interacciones entre el espín y la órbita de los electrones son significativas, Tongay dice:"Esto podría convertir al disulfuro de renio en un material ideal para las aplicaciones de Valleytronics".
La colaboración ahora está buscando formas de ajustar las propiedades del disulfuro de renio tanto en monocapa como en cristales a granel a través de defectos de ingeniería en la red y el dopaje selectivo. También buscan alear el disulfuro de renio con otros miembros de la familia de los dicalcogenuros.
