Al crear cadenas atómicas en un cristal bidimensional, Los investigadores de Penn State creen que han encontrado una manera de controlar la dirección de las propiedades de los materiales en cristales bidimensionales y tridimensionales con implicaciones en la detección, optoelectrónica y aplicaciones de electrónica de próxima generación.

El hecho de que una aleación tenga una disposición aleatoria de átomos o una disposición ordenada puede tener grandes efectos en las propiedades de un material. En un artículo publicado en línea en Nano letras , Nasim Alem, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales, y sus colegas de Penn State utilizaron una combinación de simulaciones e imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) para determinar la estructura atómica de una aleación ordenada de molibdeno, tungsteno y azufre. Determinaron que las fluctuaciones en la cantidad de azufre disponible eran responsables de la creación de cadenas atómicas de molibdeno o tungsteno.

"Descubrimos cómo se forman cadenas en una aleación bidimensional como resultado de las fluctuaciones en la cantidad de un precursor particular, en este caso azufre, "dijo Alem." Normalmente, cuando combinamos átomos de diferentes elementos, no sabemos cómo controlar a dónde irán los átomos. Pero hemos encontrado un mecanismo para ordenar los átomos, que a su vez introduce el control de las propiedades, no solo transporte de calor, como es el caso en este trabajo, pero también electrónico, propiedades químicas o magnéticas en otros casos de aleación. Si conoces el mecanismo, puede aplicarlo para organizar los átomos en una amplia gama de aleaciones en cristales 2D a lo largo de la tabla periódica ".

En el caso del molibdeno, aleación de tungsteno y azufre, los investigadores demostraron que las propiedades electrónicas eran las mismas en todas las direcciones, pero usando simulaciones, predicen que las propiedades de transporte térmico son más pequeñas perpendiculares a las cadenas o franjas.

"No sabíamos por qué este cristal forma una estructura ordenada, así que trabajamos con mi colega, el Dr. Vin Crespi, para comprender la física subyacente que causa el orden en este cristal, ", dijo Alem." Nuestros cálculos muestran que fueron las fluctuaciones en el tercer elemento, azufre, eso fue determinando cómo se formaron las cadenas ".

Vincent H. Crespi, distinguido profesor de física, y profesor de química y ciencia e ingeniería de materiales, quien desarrolló la comprensión teórica del fenómeno, dijo, "Aunque el interior de la escama es indiferente a si el molibdeno o el tungsteno ocupan algún sitio en la red cristalina, al borde del cristal en crecimiento sí le importa:Dependiendo de la cantidad de azufre disponible en un lugar determinado, el borde preferirá ser 100 por ciento de molibdeno o 100 por ciento de tungsteno. Entonces, como la disponibilidad de azufre varía aleatoriamente durante el crecimiento, el sistema coloca alternativamente hileras de molibdeno o tungsteno. Creemos que este puede ser un mecanismo general para crear estructuras en forma de franjas en materiales 2D ".

Amin Aziz, un doctorado candidato en el grupo de Alem y autor principal, produjo la imagen STEM y la espectroscopía que mostró la fina estructura atómica de las muestras de aleación y sus propiedades electrónicas.

"Cuando podemos obtener imágenes directamente de los átomos constitutivos de una sustancia, ver cómo interactúan entre sí a nivel atómico y tratar de comprender los orígenes de tales comportamientos, potencialmente podríamos crear nuevos materiales con propiedades inusuales que nunca han existido, "dijo Azizi.

Un equipo dirigido por Mauricio Terrones, profesor de física, produjo muestras de esta aleación ordenada vaporizando polvos de los tres elementos, llamados precursores, a fuego alto.