La rotación mutua de dos monocapas de un material semiconductor crea una variedad de patrones de apilamiento de dos capas, dependiendo del ángulo de giro. La caracterización rápida y eficiente de estos patrones de apilamiento puede ayudar a explorar aplicaciones potenciales en electrónica y optoelectrónica. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Apilar capas de materiales semiconductores delgados en nanómetros en diferentes ángulos es un nuevo enfoque para diseñar la próxima generación de transistores y células solares energéticamente eficientes. Los átomos de cada capa están dispuestos en matrices hexagonales. Cuando se apilan y rotan dos capas, Los átomos de una capa se superponen con los de la otra capa y pueden formar un número infinito de patrones superpuestos, como los patrones de Moiré que resultan cuando dos pantallas se superponen y una se gira sobre la otra. Los cálculos teóricos predicen excelentes propiedades electrónicas y ópticas para algunos patrones de apilamiento, pero practicamente ¿Cómo se pueden hacer y caracterizar estos patrones?
Recientemente, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizó las vibraciones entre dos capas para descifrar sus patrones de apilamiento. El equipo empleó un método llamado espectroscopia Raman de baja frecuencia para medir cómo vibran las capas entre sí y comparó las frecuencias de las vibraciones medidas con sus valores teóricamente predichos. Su estudio proporciona una plataforma para la ingeniería de materiales bidimensionales (2D) con propiedades ópticas y electrónicas que dependen en gran medida de las configuraciones de apilamiento. Los hallazgos se publican en ACS Nano , una revista de la American Chemical Society.
"Espectroscopía Raman de baja frecuencia, en combinación con el modelado de primeros principios, ofrece un enfoque rápido y fácil para revelar configuraciones de apilamiento complejas en las bicapas retorcidas de un semiconductor prometedor, sin depender de otras técnicas experimentales costosas y que requieren mucho tiempo, "dijo el coautor principal Liangbo Liang, un miembro de Wigner en ORNL. "Somos los primeros en demostrar que los espectros Raman de baja frecuencia se pueden utilizar como huellas dactilares para caracterizar el apilamiento relativo de capas en materiales 2D semiconductores".
En dispersión Raman, un método óptico para sondear vibraciones atómicas, un material dispersa la luz monocromática de un láser. Mientras que la espectroscopia Raman convencional puede sondear más de aproximadamente 3 billones de vibraciones atómicas por segundo, La espectroscopia Raman de baja frecuencia detecta vibraciones que son un orden de magnitud más lentas. La técnica de baja frecuencia es sensible a las fuerzas de atracción débiles entre capas, llamado acoplamiento de van der Waals. Puede proporcionar información crucial sobre el espesor de la capa y el apilamiento, aspectos que gobiernan las propiedades fundamentales de los materiales 2D.
"Este trabajo combina síntesis y procesamiento de vanguardia de materiales 2D, su caracterización espectroscópica única, e interpretación de datos utilizando la teoría de los primeros principios, ", dijo el coautor principal Alex Puretzky." La espectroscopia Raman de alta resolución que puede sondear modos de baja frecuencia requiere instrumentación especializada, y solo unos pocos lugares en el mundo tienen esa capacidad junto con herramientas avanzadas de síntesis y caracterización, y experiencia en teoría y modelado computacional. El Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL se encuentra entre ellos ".
Deposición de vapor químico, ampliamente utilizado para sintetizar materiales 2D como el grafeno, se utilizó para hacer monocapas de cristal perfectamente triangulares de diselenuro de molibdeno de solo tres átomos de espesor. Las moléculas de materia prima de óxido de molibdeno y azufre se hicieron reaccionar en un flujo de gas dentro de un horno de alta temperatura para formar los cristales triangulares sobre sustratos de silicio.
"Es necesario ajustar correctamente numerosos parámetros para sintetizar grandes cristales triangulares 2D con éxito, "Dijo Puretzky." Entonces, retirar con cuidado los cristales y apilarlos con precisión en diferentes orientaciones es un gran desafío ".
Él continuó, "El preciso, La forma triangular equilátera de los cristales sintetizados y transferidos nos permitió medir los ángulos de torsión con una alta precisión utilizando imágenes de microscopía de fuerza óptica y atómica estándar, que fue un factor clave en nuestros experimentos ".
Los aspectos teóricos y computacionales también fueron un desafío. "La espectroscopia Raman se basa en gran medida en la teoría para la interpretación y asignación de los espectros Raman observados, especialmente para materiales nuevos que nunca antes se han medido, "Dijo Puretzky.
El estudio reveló patrones en las bicapas apiladas que dependen en gran medida del ángulo de giro. Algunos ángulos de giro específicos, aunque, mostró parches que se repiten periódicamente con la misma orientación de apilamiento. "Estos patrones únicos pueden proporcionar una nueva plataforma para aplicaciones optoelectrónicas de estos materiales, "Dijo Puretzky.
Los hallazgos del equipo también mostraron efectos fascinantes de las vibraciones entre las capas. Como aparecieron diferentes patrones de apilamiento cuando se desplazaron las capas, se produjeron espaciamientos variables entre las capas en algunos ángulos de torsión específicos. Los investigadores planean más mediciones y modelos para diferentes configuraciones de apilamiento para comprender mejor cómo estas desintegraciones vibratorias podrían alterar las propiedades térmicas de estos materiales, conocimiento que podría afectar las aplicaciones de disipación de calor y conversión de energía termoeléctrica.
