Por ahora, Es bien sabido que adelgazar un material hasta el grosor de un solo átomo puede cambiar drásticamente las propiedades físicas de ese material. Grafeno el material 2-D más conocido, tiene una resistencia y conductividad eléctrica incomparables, a diferencia de su forma masiva como grafito. Los investigadores han comenzado a estudiar cientos de otros materiales 2-D con fines electrónicos, sintiendo diagnóstico precoz de cáncer, desalinización de agua y muchas otras aplicaciones. Ahora, un equipo de investigadores de Penn State en el Departamento de Física y el Centro de Materiales en Dos Dimensiones y Laminadas (2DLM) ha desarrollado un rápido, Método óptico no destructivo para analizar defectos en materiales bidimensionales.

"En la industria de los semiconductores, por ejemplo, los defectos son importantes porque se pueden controlar las propiedades a través de los defectos, "dijo Mauricio Terrones, profesor de física, ciencia e ingeniería de materiales y química, Penn State. "Esto se conoce como ingeniería de defectos. La industria sabe cómo controlar los defectos y qué tipos son buenos para los dispositivos".

Para comprender realmente lo que sucede en un material bidimensional como el disulfuro de tungsteno, que tiene una capa de tungsteno de un solo átomo de espesor intercalada entre dos capas atómicas de azufre, requeriría un microscopio electrónico de alta potencia capaz de ver átomos individuales y los agujeros, llamadas vacantes, donde faltan los átomos.

"El beneficio de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) es que obtienes una imagen y puedes ver directamente lo que está sucediendo; obtienes evidencia directa, "dijo Bernd Kabius, científico de planta del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State, experto en TEM y coautor del artículo que aparece el 28 de abril en la revista en línea Avances de la ciencia .

Las desventajas según Kabius, son una mayor posibilidad de dañar el delicado material 2-D, la preparación compleja requerida de la muestra y el tiempo involucrado:un día completo de tiempo del instrumento para obtener imágenes de una sola muestra y una semana o más para interpretar los resultados. Por esas razones, y otros, A los investigadores les gustaría combinar TEM con otro método de mirar la muestra que sea más simple y rápido.

La técnica desarrollada por Terrones y su equipo utiliza un método óptico, microscopía fluorescente, en el que un láser de una longitud de onda específica se ilumina sobre una muestra y los electrones excitados, empujado a un nivel de energía más alto, cada uno emite un fotón de una longitud de onda más larga cuando el electrón desciende a un nivel de energía más bajo. La longitud de onda o color de luz, se puede medir por espectroscopia y proporciona información sobre el tipo de defecto y la ubicación en la muestra. Estos datos se muestran como picos en un gráfico, que el equipo luego correlacionó con la confirmación visual bajo el TEM. Los cálculos teóricos también ayudaron a validar los resultados ópticos. Un paso necesario en el proceso requiere colocar la muestra en un portamuestras con temperatura controlada, o escenario, y bajar la temperatura a 77 kelvin, casi 200 grados C bajo cero. A esta temperatura, los pares de electrones y huecos que producen la fluorescencia están unidos al defecto - en el caso de este trabajo, un grupo de vacantes de azufre en la capa superior del sándwich - y emiten una señal más fuerte que las áreas prístinas del material.

"Por primera vez, Hemos establecido una relación directa entre la respuesta óptica y la cantidad de defectos atómicos en materiales bidimensionales. "dijo Víctor Carozo, ex becario postdoctoral en el laboratorio de Terrones y primer autor del trabajo.

Terrones agregado, "Para la industria de los semiconductores, esta es una medida rápida, un método óptico no destructivo para evaluar defectos en sistemas 2-D. Lo importante es que pudimos correlacionar nuestro método óptico con TEM y también con simulaciones atomísticas. Creo que este método puede ser muy útil para establecer un protocolo para la caracterización de materiales cristalinos 2-D ".

En este contexto, coautor Yuanxi Wang, investigador postdoctoral en el 2DLM y teórico, adicional, "Nuestros cálculos muestran que los electrones atrapados por las vacantes emiten luz en longitudes de onda diferentes a la emisión de las regiones libres de defectos. Las regiones que emiten luz en estas longitudes de onda pueden identificar fácilmente las vacantes dentro de las muestras".

Y Vincent Crespi, Profesor Distinguido de Física, Ciencia e Ingeniería de Materiales y Química, Penn State, dijo "Podemos establecer no solo una correlación empírica entre la presencia de ciertos defectos y la emisión de luz modificada, pero también identificar la razón de esa correlación a través de cálculos de primeros principios ".

Las aplicaciones de dispositivos que podrían mejorarse con este trabajo incluyen membranas con tamaños de poros selectivos para eliminar la sal del agua o para secuenciar el ADN, detección de gas cuando las moléculas de gas se unen a vacantes específicas y el dopaje de materiales 2-D, que es la adición de átomos extraños para mejorar las propiedades.