Se utiliza un dispositivo nanomecánico diseñado por científicos de la Universidad de Rice para medir la fuerza de nanomateriales bidimensionales como el diselenuro de molibdeno, el tema de un estudio reciente de Rice que lo encontró mucho más frágil que el grafeno. Crédito:Lou Group / Rice University
Los científicos de la Universidad de Rice han descubierto que un material de un átomo de espesor que se observa en busca de dispositivos electrónicos flexibles y ópticos de próxima generación es más frágil de lo que esperaban.
El equipo de Rice dirigido por el científico de materiales Jun Lou probó la resistencia a la tracción de dos dimensiones, diselenuro de molibdeno semiconductor y descubrió que fallas tan pequeñas como un átomo faltante pueden iniciar un agrietamiento catastrófico bajo tensión.
El informe del equipo aparece este mes en Materiales avanzados .
El hallazgo puede hacer que la industria analice más detenidamente las propiedades de los materiales 2-D antes de incorporarlos en nuevas tecnologías. él dijo.
"Resulta que no todos los cristales 2-D son iguales, "dijo Lou, un profesor de Rice de ciencia de materiales y nanoingeniería. "El grafeno es mucho más robusto en comparación con algunos de los otros con los que estamos tratando en este momento, como este diselenuro de molibdeno. Creemos que tiene algo que ver con los defectos inherentes a estos materiales ".
Los defectos pueden ser tan pequeños como un solo átomo que deja una vacante en la estructura cristalina, él dijo. "Es muy difícil detectarlos, ", dijo." Incluso si un grupo de vacantes hace un agujero más grande, es difícil de encontrar usando cualquier técnica. Podría ser posible verlos con un microscopio electrónico de transmisión, pero eso sería tan laborioso que no sería útil ".
El diselenuro de molibdeno es un dicalcogenuro, un material semiconductor bidimensional que aparece como una matriz hexagonal similar al grafeno desde arriba, pero en realidad es un sándwich de átomos metálicos entre dos capas de átomos de calcógeno, en este caso, selenio. Se está considerando el uso de diselenuro de molibdeno como transistores y en células solares de próxima generación, fotodetectores y catalizadores, así como dispositivos electrónicos y ópticos.
Lou y sus colegas midieron el módulo elástico del material, la cantidad de estiramiento que un material puede soportar y aún así volver a su estado inicial, a 177,2 (más o menos 9,3) gigapascales. El grafeno es más de cinco veces más elástico. Atribuyeron la gran variación a defectos preexistentes de entre 3,6 y 77,5 nanómetros.
Su resistencia a la fractura, la cantidad de estiramiento que puede soportar un material antes de romperse, se midió en 4.8 (más o menos 2.9) gigapascales. El grafeno es casi 25 veces más fuerte.
Parte del proyecto dirigido por el investigador postdoctoral de Rice, Yingchao Yang, requirió mover diselenuro de molibdeno desde una cámara de crecimiento en un horno de deposición de vapor químico a un microscopio sin introducir más defectos. Yang resolvió el problema utilizando un proceso de transferencia en seco en lugar de un lavado con ácido estándar que habría arruinado las muestras.
Cuando se ve desde arriba, los átomos en el diselenuro de molibdeno bidimensional se asemejan a una cuadrícula hexagonal, como el grafeno. Pero en la realidad, los átomos de molibdeno más oscuros están intercalados entre las capas superior e inferior de átomos de seleniuro. Los investigadores de la Universidad de Rice probaron el material por su resistencia a la tracción. Crédito:Lou Group / Rice University
Para probar muestras, Yang colocó rectángulos de diselenuro de molibdeno en una plataforma de microscopio electrónico sensible inventada por el grupo Lou. Las fuerzas naturales de van der Waals mantuvieron las muestras en su lugar sobre brazos en voladizo elásticos que midieron la tensión aplicada.
Lou dijo que el grupo intentó medir la resistencia a la fractura del material, un indicador de la probabilidad de que se propaguen las grietas, como lo habían hecho en un estudio anterior sobre el grafeno. Pero descubrieron que las grietas precortadas en diselenuro de molibdeno daban como resultado que se rompiera antes de que se pudiera aplicar tensión. él dijo.
"El mensaje importante de este trabajo es la naturaleza frágil de estos materiales, "Dijo Lou." Mucha gente está pensando en usar cristales 2-D porque son inherentemente delgados. Están pensando en la electrónica flexible porque son semiconductores y su resistencia elástica teórica debería ser muy alta. Según nuestros cálculos, se pueden estirar hasta un 10 por ciento.
"Pero en la realidad, debido a los defectos inherentes, rara vez puedes lograr tanta fuerza. Las muestras que hemos probado hasta ahora se rompieron en 2 a 3 por ciento (del máximo teórico) como máximo, ", Dijo Lou." Eso debería estar bien para la mayoría de las aplicaciones flexibles, pero a menos que encuentren una manera de apagar los defectos, será muy difícil alcanzar los límites teóricos ".
Una secuencia muestra una muestra de diselenuro de molibdeno montada en un dispositivo de medición nanomecánico en la Universidad de Rice, donde los científicos determinan que el material es mucho más frágil de lo que esperaban. El material de un átomo de espesor se estira progresivamente en las fotos, en el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior izquierda, hasta que se parta por completo. Los investigadores sospechan que defectos tan pequeños como un solo átomo son el punto de partida del comportamiento frágil. Crédito:Lou Group / Rice University
