Los equipos de investigadores dirigidos por Penn State alcanzaron una nueva comprensión de por qué los materiales sintéticos 2-D a menudo funcionan en órdenes de magnitud peor de lo previsto. Buscaron formas de mejorar el rendimiento de estos materiales en la electrónica del futuro, fotónica, y aplicaciones de almacenamiento de memoria.

Los materiales bidimensionales son películas de solo un átomo o dos de espesor. Los investigadores fabrican materiales 2-D mediante el método de exfoliación (pelando una rodaja de material de un material a granel más grande) o condensando un precursor de gas en un sustrato. El primer método proporciona materiales de mayor calidad, pero no es útil para fabricar dispositivos. El segundo método está bien establecido en aplicaciones industriales, pero produce películas 2-D de bajo rendimiento.

Los investigadores demostraron, por primera vez, por qué la calidad de los materiales 2-D cultivados mediante el método de deposición de vapor químico tiene un rendimiento deficiente en comparación con sus predicciones teóricas. Informan sus resultados en una edición reciente de Informes científicos .

"Cultivamos disulfuro de molibdeno, un material 2-D muy prometedor, sobre un sustrato de zafiro, "dijo Kehao Zhang, un candidato a doctorado de Joshua Robinson, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. "El zafiro en sí es óxido de aluminio. Cuando el aluminio es la capa superior del sustrato, le gusta ceder sus electrones a la película. Este fuerte dopaje negativo (los electrones tienen carga negativa) limita tanto la intensidad como la vida útil del portador para la fotoluminiscencia, dos propiedades importantes para todas las aplicaciones optoelectrónicas, como fotovoltaica y fotosensores ".

Una vez que determinaron que el aluminio estaba cediendo electrones a la película, usaron un sustrato de zafiro que fue cortado de tal manera que exponga el oxígeno en lugar del aluminio en la superficie. Esto aumentó la intensidad de la fotoluminiscencia y la vida útil del portador en 100 veces.

En trabajos relacionados, un segundo equipo de investigadores dirigido por el mismo grupo de Penn State utilizó ingeniería de dopaje que sustituye átomos extraños en la red cristalina de la película para cambiar o mejorar las propiedades del material. Informaron de su trabajo esta semana en Materiales funcionales avanzados .

"La gente ha probado el dopaje de sustitución antes, pero debido a que la interacción del sustrato de zafiro examinó los efectos del dopaje, no pudieron deconvolucionar el impacto del dopaje, "dijo Zhang, quien también fue el autor principal del segundo artículo.

Usando la superficie del sustrato terminado en oxígeno del primer papel, el equipo eliminó el efecto de pantalla del sustrato y dopó la película 2-D de disulfuro de molibdeno con átomos de renio.

"Desconvolucionamos los efectos del dopaje con renio en el material, ", dijo Zhang." Con este sustrato podemos llegar a un 1 por ciento atómico, la concentración de dopaje más alta jamás registrada. Un beneficio inesperado es que el dopado del renio en la red pasiva el 25 por ciento de las vacantes de azufre, y las vacantes de azufre son un problema de larga data con los materiales 2-D ".

El dopaje resuelve dos problemas:hace que el material sea más conductor para aplicaciones como transistores y sensores, y al mismo tiempo mejora la calidad de los materiales pasivando los defectos llamados vacantes de azufre. El equipo predice que un mayor dopaje con renio podría eliminar por completo los efectos de las vacantes de azufre.

"El objetivo de todo mi trabajo es llevar este material a niveles tecnológicamente relevantes, lo que significa hacerlo industrialmente aplicable, "Dijo Zhang.