Grafeno una red de átomos de carbono de un solo átomo de espesor, a menudo se promociona como un reemplazo del silicio en dispositivos electrónicos debido a su conductividad extremadamente alta y su delgadez inmejorable. Pero el grafeno no es el único material bidimensional que podría desempeñar ese papel.

Los investigadores de la Universidad de Pensilvania han avanzado en la fabricación de uno de esos materiales, disulfuro de molibdeno. Al cultivar escamas del material alrededor de las "semillas" de óxido de molibdeno, han facilitado el control del tamaño, espesor y ubicación del material.

A diferencia del grafeno, El disulfuro de molibdeno tiene una banda prohibida de energía, lo que significa que su conductividad se puede encender y apagar. Este rasgo es fundamental para los dispositivos semiconductores utilizados en informática. Otra diferencia es que el disulfuro de molibdeno emite luz, lo que significa que podría usarse en aplicaciones como LED, sensores de autoinforme y optoelectrónica.

El estudio fue dirigido por A. T. Charlie Johnson, profesor en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, e incluye miembros de su laboratorio, Gang Hee Han, Nicolás Kybert, Carl Naylor y Jinglei Ping. También contribuyó al estudio Ritesh Agarwal, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn; miembros de su laboratorio, Bumsu Lee y Joohee Park; y Jisoo Kang, estudiante de maestría en el programa de nanotecnología de Penn. Colaboraron con investigadores de la Universidad Sungkyunkwan de Corea del Sur, Si Young Lee y Young Hee Lee.

Su estudio fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Todo lo que hacemos con la electrónica normal nos gustaría poder hacerlo con materiales bidimensionales, ", Dijo Johnson." El grafeno tiene un conjunto de propiedades que lo hacen muy atractivo para la electrónica, pero carece de esta propiedad crítica, poder encender y apagar. El disulfuro de molibdeno te da eso ".

La conductividad ultra alta del grafeno significa que puede mover electrones más rápidamente que cualquier material conocido. pero esa no es la única cualidad que importa para la electrónica. Para los transistores que forman la base de la tecnología informática moderna, también es fundamental poder detener el flujo de electrones.

"El disulfuro de molibdeno no es tan conductor como el grafeno, "Naylor dijo, "pero tiene una relación de encendido / apagado muy alta. Necesitamos unos y ceros para hacer el cálculo; el grafeno sólo puede darnos unos y 0,5".

Otros grupos de investigación han podido hacer pequeñas escamas de disulfuro de molibdeno de la misma manera que se hizo el grafeno por primera vez. exfoliándolo, o despegando capas atómicamente delgadas del material a granel. Más recientemente, otros investigadores han adoptado otra técnica de la fabricación de grafeno, deposición de vapor químico, donde el molibdeno y el azufre se calientan en gases y se dejan sedimentar y cristalizar sobre un sustrato.

El problema con estos métodos es que los copos resultantes se forman de forma dispersa.

"Entre cazar los copos, "dijo Kybert, "y asegurarse de que tengan el tamaño y el grosor correctos, se necesitarían días para realizar una sola medición de sus propiedades "

El avance del equipo de Penn consistió en desarrollar una forma de controlar dónde se forman las escamas en el método de deposición de vapor químico, "sembrando" el sustrato con un precursor.

"Comenzamos colocando una pequeña cantidad de óxido de molibdeno en los lugares que queremos, "Naylor dijo, "luego fluimos en gas de azufre. En las condiciones adecuadas, esas semillas reaccionan con el azufre y empiezan a crecer copos de disulfuro de molibdeno ".

"Hay delicadeza en la optimización de las condiciones de crecimiento, "Johnson dijo, "pero estamos ejerciendo más control, moviendo el material en la dirección de poder hacer sistemas complicados. Porque lo cultivamos donde queremos, podemos hacer dispositivos más fácilmente. Tenemos todas las otras partes de los transistores en una capa separada que colocamos sobre las escamas, haciendo docenas y potencialmente incluso cientos, de dispositivos a la vez. Luego pudimos observar que hicimos transistores que se encienden y apagan como se suponía y dispositivos que emiten luz como se supone que deben hacerlo ".

Poder hacer coincidir la ubicación de las escamas de disulfuro de molibdeno con la electrónica correspondiente permitió a los investigadores omitir un paso que debían dar al fabricar dispositivos basados ​​en grafeno. Allí, el grafeno se cultiva en hojas grandes y luego se corta a medida, un proceso que aumenta el riesgo de contaminación dañina.

El trabajo futuro en estos dispositivos de bisulfuro de molibdeno complementará la investigación del equipo de investigación sobre biosensores basados ​​en grafeno; en lugar de enviar la detección de alguna molécula a una computadora, Los sensores basados ​​en disulfuro de molibdeno podrían informar directamente un evento vinculante a través de un cambio en la luz que emiten.

Esta investigación también representa los primeros pasos que se pueden aplicar hacia la fabricación de una nueva familia de materiales bidimensionales.

"Podemos reemplazar el molibdeno con tungsteno y el azufre con selenio, "Naylor dijo, "y simplemente baje la tabla periódica desde allí. Podemos imaginar el cultivo de todos estos diferentes materiales en los lugares que elegimos y aprovechar todas sus diferentes propiedades".