Los físicos de la Universidad de Kansas han fabricado una sustancia innovadora a partir de dos hojas atómicas diferentes que se entrelazan de manera muy similar a los ladrillos de juguete de Lego. Los investigadores dijeron que el nuevo material, hecho de una capa de grafeno y una capa de disulfuro de tungsteno, podría usarse en células solares y electrónica flexible. Sus hallazgos son publicados hoy por Comunicaciones de la naturaleza .

Hsin-Ying Chiu, profesor asistente de física y astronomía, y el estudiante de posgrado Matt Bellus fabricaron el nuevo material utilizando "ensamblaje capa por capa" como una técnica versátil de nanofabricación ascendente. Luego, Jiaqi He, un estudiante visitante de China, y Nardeep Kumar, un estudiante de posgrado que ahora se ha mudado a Intel Corp., investigó cómo los electrones se mueven entre las dos capas a través de espectroscopia láser ultrarrápida en el Laboratorio de láser ultrarrápido de KU, supervisado por Hui Zhao, profesor asociado de física y astronomía.

"Construir materiales artificiales con funcionalidad sinérgica ha sido un largo viaje de descubrimiento, "Dijo Chiu." Una nueva clase de materiales, hecho de los materiales en capas, ha atraído una gran atención desde el rápido desarrollo de la tecnología del grafeno. Uno de los aspectos más prometedores de esta investigación es el potencial para diseñar materiales de próxima generación a través del control a nivel de capa atómica sobre su estructura electrónica ".

Según los investigadores, el enfoque es diseñar materiales sinérgicos combinando dos hojas gruesas de un solo átomo, por ejemplo, actuando como una célula fotovoltaica así como un diodo emisor de luz, convertir energía entre electricidad y radiación. Sin embargo, combinar capas de material atómicamente delgado es una tarea espinosa que ha desconcertado a los investigadores durante años.

"Un gran desafío de este enfoque es que, la mayoría de los materiales no se conectan entre sí debido a sus diferentes arreglos atómicos en la interfaz; el arreglo de los átomos no puede seguir los dos conjuntos de reglas diferentes al mismo tiempo, "Dijo Chiu." Esto es como jugar con Legos de diferentes tamaños hechos por diferentes fabricantes. Como consecuencia, los nuevos materiales solo pueden fabricarse a partir de materiales con disposiciones atómicas muy similares, que a menudo tienen propiedades similares, también. Incluso entonces, la disposición de los átomos en la interfaz es irregular, lo que a menudo resulta en malas cualidades ".

Los materiales estratificados como los desarrollados por los investigadores de KU proporcionan una solución a este problema. A diferencia de los materiales convencionales formados por átomos fuertemente unidos en todas direcciones, el nuevo material presenta dos capas donde cada hoja atómica está compuesta de átomos fuertemente unidos con sus vecinos, pero las dos hojas atómicas están en sí mismas débilmente unidas entre sí por la llamada fuerza de van der Waals, el mismo fenómeno atractivo entre moléculas que permite que los geckos se adhieran a paredes y techos.

"Existen alrededor de 100 tipos diferentes de cristales en capas; el grafito es un ejemplo bien conocido, "Bellus dijo." Debido a la débil conexión entre capas, se pueden elegir dos tipos de láminas atómicas y colocar una encima de la otra sin ningún problema. Es como jugar a Legos con fondo plano. No hay ninguna restricción. Este enfoque puede potencialmente producir una gran cantidad de nuevos materiales con propiedades novedosas combinadas y transformar la ciencia de los materiales ".

Chiu y Bellus crearon el nuevo material de carbono y disulfuro de tungsteno con el objetivo de desarrollar materiales novedosos para células solares eficientes. La única hoja de átomos de carbono, conocido como grafeno, sobresale en mover electrones alrededor, mientras que una sola capa de átomos de disulfuro de tungsteno es buena para absorber la luz solar y convertirla en electricidad. Combinando los dos, este material innovador puede potencialmente realizar bien ambas tareas.

El equipo usó cinta para levantar una sola capa de átomos de disulfuro de tungsteno de un cristal y aplicarla a un sustrato de silicio. Próximo, utilizaron el mismo procedimiento para eliminar una sola capa de átomos de carbono de un cristal de grafito. Con un microscopio, colocaron con precisión el grafeno sobre la capa de disulfuro de tungsteno. Para eliminar cualquier pegamento entre las dos capas atómicas que se introduzcan involuntariamente durante el proceso, el material se calentó a aproximadamente 500 grados Fahrenheit durante media hora. Esto permitió que la fuerza entre las dos capas exprimara el pegamento, dando como resultado una muestra de dos capas atómicamente delgadas con una interfaz limpia.

Estudiantes de doctorado Él y Kumar probaron el nuevo material en el Laboratorio de láser ultrarrápido de KU. Los investigadores utilizaron un pulso de láser para excitar la capa de disulfuro de tungsteno.

"Descubrimos que casi el 100 por ciento de los electrones que absorben la energía del pulso láser se mueven del disulfuro de tungsteno al grafeno en un picosegundo, o una millonésima de una millonésima de segundo, "Esto prueba que el nuevo material combina las buenas propiedades de cada capa del componente", dijo Zhao.

Los grupos de investigación dirigidos por Chiu y Zhao están tratando de aplicar este enfoque de Lego a otros materiales. Por ejemplo, mediante la combinación de dos materiales que absorben la luz de diferentes colores, pueden producir materiales que reaccionen a diversas partes del espectro solar.