En las estaciones de metro de Londres, la advertencia de "Mind the Gap" ayuda a los viajeros a evitar entrar en un espacio vacío al salir del tren. Cuando se trata de diseñar estructuras atómicas de una sola capa, tener en cuenta la brecha ayudará a los investigadores a crear materiales electrónicos artificiales, una capa atómica a la vez.

La brecha es un vacío minúsculo que solo se puede ver con un microscopio electrónico de transmisión de alta potencia. El hueco, Los investigadores del Centro de Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) creen, es una barrera de energía que evita que los electrones pasen fácilmente de una capa de material a la siguiente.

"Es una capa aislante natural que la Madre Naturaleza incorporó a estos materiales creados artificialmente, "dijo Joshua Robinson, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales y director asociado del Centro 2DLM. "Todavía estamos tratando de comprender cómo los electrones se mueven verticalmente a través de estos materiales en capas, y pensamos que debería tomar mucha menos energía. Gracias a una combinación de teoría y experimentación, ahora sabemos que tenemos que tener en cuenta esta brecha cuando diseñamos nuevos materiales ".

Por primera vez, los investigadores de Penn State cultivaron una sola capa atómica de diselenuro de tungsteno sobre un sustrato de grafeno de un átomo de espesor con interfaces prístinas entre las dos capas. Cuando intentaron poner un voltaje desde la capa superior de diselenuro de tungsteno (WSe2) hasta la capa de grafeno, encontraron una sorprendente cantidad de resistencia. Aproximadamente la mitad de la resistencia fue causada por la brecha, que introdujo una gran barrera, aproximadamente 1 electrón voltio (1eV), a los electrones que intentan moverse entre capas. Esta barrera de energía podría resultar útil en el diseño de dispositivos electrónicos de próxima generación, como transistores de efecto de campo de tunelización vertical, Dijo Robinson.

El interés en estos materiales de van der Waals surgió con el descubrimiento de métodos para hacer grafito de una sola capa mediante el uso de cinta Scotch para escindir mecánicamente una capa de carbono de un átomo de espesor llamada grafeno a partir de grafito a granel. La fuerza de van der Waals que une las capas de grafito es lo suficientemente débil como para permitir la eliminación de la capa atómica única. Los investigadores de Penn State utilizan una método más escalable, llamada deposición química de vapor, depositar una sola capa de WSe2 cristalino sobre unas pocas capas de grafeno epitaxial que se cultiva a partir de carburo de silicio. Aunque la investigación sobre el grafeno se disparó en la última década, Hay muchos sólidos de van der Waal que se pueden combinar para crear materiales artificiales completamente nuevos con propiedades inimaginables.

En un artículo publicado en línea este mes en Nano letras , el equipo de Penn State y sus colegas de UT Dallas, el Laboratorio de Investigaciones Navales, Laboratorio Nacional Sandia, y laboratorios en Taiwán y Arabia Saudita, descubrió que la capa de diselenuro de tungsteno crecía en islas triangulares perfectamente alineadas de 1-3 micrones de tamaño que se fusionaban lentamente en un solo cristal de hasta 1 centímetro cuadrado. Robinson cree que será posible hacer crecer estos cristales a tamaños de escala de obleas industrialmente útiles, aunque requerirá un horno más grande que el que tiene actualmente en su laboratorio.

"Una de las cosas realmente interesantes de esta brecha, "Robinson dijo, "es que nos permite hacer crecer capas alineadas a pesar del hecho de que los átomos del grafeno no están alineados con los átomos del diselenuro de tungsteno. De hecho, hay un desajuste de red del 23 por ciento, que es enorme. La madre naturaleza realmente relajó las reglas cuando se trata de estas grandes diferencias en el espaciamiento de los átomos ".

El autor principal de la Nano letras el papel es Yu-Chuan Lin, estudiante de posgrado en el laboratorio de Robinson. Otros coautores de Penn State fueron Ram Krishna Ghosh, un becario postdoctoral en ingeniería eléctrica (EE) que utilizó modelos informáticos para ayudar al equipo a comprender la barrera energética, Jie Li, becario postdoctoral en EE, Theresa S. Mayer y Suman Datta, profesores de EE y Robinson, quien junto con Lain-Jong Li del Instituto de Ciencias Atómicas y Moleculares, Taiwán fue autor correspondiente. En un poco de serendipia Jeremy Robinson, investigador del Laboratorio de Investigación Naval y hermano de Joshua Robinson, también fue coautor del artículo. Robert Wallace y sus estudiantes de la Universidad de Texas en Dallas proporcionaron imágenes TEM.