La perfección no lo es todo, según un equipo internacional de investigadores cuyo estudio de materiales en 2-D muestra que los defectos pueden mejorar el aspecto físico de un material, electroquímico magnético, propiedades energéticas y catalíticas.

"Dispositivos electrónicos, como transistores, suelen estar hechos de capas de metal apiladas relativamente voluminosas, óxidos y semiconductores cristalinos, "dijo Shengxi Huang, profesor asistente de ingeniería eléctrica, Penn State. "Nos gustaría hacerlos con materiales bidimensionales para que puedan ser más rápidos, más pequeño y más flexible ".

Para hacer esto, los investigadores están analizando capas atómicas únicas de sulfuro de molibdeno. Informan los resultados de su investigación en un número reciente de ACS Nano .

El sulfuro de molibdeno es una molécula formada por un átomo de molibdeno con dos átomos de azufre unidos. Las moléculas se alinean con el molibdeno en el medio y los átomos de azufre en la parte superior e inferior cuando forman un 2-D, una sola capa, película. Estas películas se colocaron sobre una variedad de sustratos:oro, grafeno de una sola capa, nitruro de boro hexagonal y dióxido de cerio, y se irradian para crear defectos en la estructura reticular.

La creación de materiales 2-D no es un proceso de fabricación perfecto y los defectos siempre están presentes en la celosía. Los investigadores querían determinar cómo esos defectos cambiaron las propiedades físicas y electroquímicas del sulfuro de molibdeno. La irradiación hace que parte del sulfuro de molibdeno pierda un átomo de azufre de la superficie. Usando estas películas menos que perfectas, los investigadores pudieron ver cómo cambiaban los materiales usando una variedad de microscopias y espectroscopias.

Las simulaciones de defectos de celosía permitieron a los investigadores manipular los materiales y producir estructuras que coincidían con las películas defectuosas experimentalmente. Descubrieron que los resultados de las propiedades de los materiales de sus simulaciones coincidían con los resultados experimentales.

"Descubrimos que los defectos de azufre mejoraron las características físicas del material, ", dijo Huang." Al elegir las ubicaciones y el número de defectos, deberíamos poder ajustar la estructura de la banda del material, mejorando sus capacidades electrónicas ".

Experimentalmente, los investigadores encontraron que se pierden muchos más átomos de azufre que átomos de molibdeno, porque el azufre está en las superficies y el molibdeno está protegido en el medio. También notaron que debido a que tantos átomos de azufre abandonan el material, los defectos causados ​​por la ausencia de azufre superan cualquier efecto que pudiera tener la ausencia de molibdeno en la celosía.

Investigar cómo diferentes sustratos mejoraron o no mejoraron las propiedades del material bidimensional, los investigadores encontraron que "los sustratos pueden ajustar los niveles de energía electrónica en el sulfuro de molibdeno debido a la transferencia de carga en la interfaz". Las propiedades del material del sustrato también cambian las propiedades de la capa única bidimensional. Dióxido de cerio, porque es un óxido, alteró las propiedades eléctricas del material de manera diferente a los otros sustratos.

Menor, La electrónica más rápida y flexible no es el único resultado posible de ajustar estos materiales 2-D.

"Si tenemos la cantidad adecuada de vacantes de azufre, podemos mejorar procesos químicos como la evolución del hidrógeno del agua, "dijo Huang.

Materiales como el sulfuro de molibdeno se utilizan como catalizadores en reacciones químicas. Huang se refiere a la división del agua, un proceso utilizado para crear hidrógeno y oxígeno gaseosos a partir de agua líquida donde el sulfuro de molibdeno adecuadamente defectuoso podría mejorar el proceso y reducir la cantidad de energía y los costos necesarios y aumentar la cantidad de hidrógeno producido.

El molibdeno es un metal de transición y otros miembros de este grupo atómico también forman moléculas llamadas dicalcogenuros. Estos incluyen tungsteno, niobio, circonio, titanio y tantalio y forman capas con azufre y otros calcogenuros como el selenio y el telurio. Otros dicalcogenuros se pueden convertir en materiales 2-D y también se pueden sintonizar para mejorar sus propiedades.