Un equipo de investigación dirigido por científicos e ingenieros de UCLA ha desarrollado un método para fabricar nuevos tipos de "superredes" artificiales:materiales compuestos de capas alternas de láminas ultradelgadas "bidimensionales", que tienen sólo uno o unos pocos átomos de espesor. A diferencia de las superredes actuales de última generación, en el que capas alternas tienen estructuras atómicas similares, y por lo tanto propiedades electrónicas similares, estas capas alternas pueden tener estructuras radicalmente diferentes, propiedades y funciones, algo que no estaba disponible anteriormente.

Por ejemplo, mientras que una capa de este nuevo tipo de superrejilla puede permitir un flujo rápido de electrones a través de ella, el otro tipo de capa puede actuar como aislante. Este diseño limita las propiedades electrónicas y ópticas a capas activas individuales, y evita que interfieran con otras capas aislantes.

Tales superredes pueden formar la base para nuevas y mejoradas clases de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Las aplicaciones incluyen semiconductores ultrarrápidos y ultraeficientes para transistores en computadoras y dispositivos inteligentes, y LED y láseres avanzados.

En comparación con el enfoque de crecimiento o ensamblaje capa por capa convencional que se utiliza actualmente para crear superredes 2D, El nuevo proceso dirigido por UCLA para fabricar superredes a partir de materiales 2D es mucho más rápido y eficiente. Más importante, el nuevo método produce superredes con decenas, cientos o incluso miles de capas alternas, lo que todavía no es posible con otros enfoques.

Esta nueva clase de superredes alterna láminas de cristal atómico 2D que están intercaladas con moléculas de diferentes formas y tamaños. En efecto, esta capa molecular se convierte en la segunda "hoja" porque se mantiene en su lugar mediante fuerzas de "van der Waals", fuerzas electrostáticas débiles para mantener las moléculas neutrales "unidas" entre sí. Estas nuevas superredes se denominan "superredes moleculares de cristales atómicos monocapa".

El estudio, publicado en Naturaleza , fue dirigido por Xiangfeng Duan, Profesor de química y bioquímica de UCLA, y Yu Huang, Profesor de ciencia e ingeniería de materiales de UCLA en la Escuela de Ingeniería Samueli de UCLA.

"Las superredes de semiconductores tradicionales generalmente solo se pueden fabricar con materiales con una simetría de celosía muy similar, normalmente con estructuras electrónicas bastante similares, "Dijo Huang." Por primera vez, Hemos creado estructuras superlattice estables con capas radicalmente diferentes, sin embargo, arreglos atómico-moleculares casi perfectos dentro de cada capa. Esta nueva clase de estructuras de superrejilla tiene propiedades electrónicas adaptables para posibles aplicaciones tecnológicas y futuros estudios científicos ".

Un método actual para construir una superrejilla es apilar manualmente las capas ultrafinas una encima de la otra. Pero esto requiere mucha mano de obra. Además, Dado que las láminas en forma de escamas son frágiles, toma mucho tiempo construir porque muchas hojas se romperán durante el proceso de colocación. El otro método es hacer crecer una nueva capa encima de la otra, utilizando un proceso llamado "deposición química de vapor". Pero como eso significa diferentes condiciones, como el calor, ambientes de presión o químicos, son necesarios para hacer crecer cada capa, el proceso podría resultar en alterar o romper la capa debajo. Este método también requiere mucha mano de obra con tasas de rendimiento bajas.

El nuevo método para crear superredes moleculares de cristales atómicos monocapa utiliza un proceso llamado "intercalación electroquímica, "en el que se aplica un voltaje negativo. Esto inyecta electrones cargados negativamente en el material 2D. Luego, esto atrae moléculas de amonio cargadas positivamente hacia los espacios entre las capas atómicas. Esas moléculas de amonio se ensamblan automáticamente en nuevas capas en la estructura cristalina ordenada, creando una superrejilla.

"Piense en un material bidimensional como una pila de naipes, "Dijo Duan." Entonces imagina que podemos hacer que una gran pila de cuentas de plástico cercanas se inserten, en perfecto orden, intercalando entre cada tarjeta. Esa es la idea análoga, pero con un cristal de material 2D y moléculas de amonio ".

Los investigadores primero demostraron la nueva técnica utilizando fósforo negro como material de cristal atómico 2D base. Usando el voltaje negativo, iones de amonio cargados positivamente fueron atraídos hacia el material base, y se insertaron entre las láminas de fósforo atómico en capas ".

Tras ese éxito, El equipo insertó diferentes tipos de moléculas de amonio con varios tamaños y simetrías en una serie de materiales 2D para crear una amplia clase de superredes. Descubrieron que podían adaptar las estructuras de las superredes moleculares de cristales atómicos monocapa resultantes, que tenía una amplia gama de propiedades ópticas y electrónicas deseables ". Los materiales resultantes podrían ser útiles para hacer transistores más rápidos que consuman menos energía, o para crear dispositivos emisores de luz eficientes, "Dijo Duan.