Los investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de la UConn mejoraron significativamente el rendimiento de un material semiconductor atómicamente delgado al estirarlo, un logro que podría resultar beneficioso para los ingenieros que diseñan la próxima generación de electrónica flexible, nano dispositivos, y sensores ópticos.

En un estudio que aparece en la revista de investigación Nano letras , Michael Pettes, profesor asistente de ingeniería mecánica, informa que una bicapa de diselenuro de tungsteno de seis átomos de espesor mostró un aumento de 100 veces en la fotoluminiscencia cuando se sometió a tensión. El material nunca había exhibido tal fotoluminiscencia antes.

Los hallazgos marcan la primera vez que los científicos han podido demostrar de manera concluyente que las propiedades de los materiales atómicamente delgados se pueden manipular mecánicamente para mejorar su rendimiento. Pettes dice. Tales capacidades podrían conducir a procesadores de computadora más rápidos y sensores más eficientes.

El proceso que utilizaron los investigadores para lograr el resultado también es significativo porque ofrece una nueva metodología confiable para medir el impacto de la tensión en materiales ultrafinos. algo que ha sido difícil de hacer y un obstáculo para la innovación.

"Los experimentos que involucran tensión son a menudo criticados, ya que la tensión experimentada por estos materiales atómicamente delgados es difícil de determinar y, a menudo, se especula como incorrecta. "dice Pettes." Nuestro estudio proporciona una nueva metodología para realizar mediciones dependientes de la deformación de materiales ultrafinos, y esto es importante porque se predice que la tensión ofrecerá cambios de órdenes de magnitud en las propiedades de estos materiales en muchos campos científicos diferentes ".

Los científicos han estado intrigados por el potencial de los materiales atómicamente delgados desde que los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov escindieron con éxito una capa de grafeno de un átomo de espesor a partir de una pieza de grafito en 2004. Considerado un supermaterial por su extraordinaria fuerza, flexibilidad, y capacidad para conducir electricidad, El grafeno bidimensional transformó la industria electrónica y le valió a los investigadores un Premio Nobel.

Pero por todo lo que ofrece, el grafeno tiene sus limitaciones. Es un semiconductor pobre porque carece de una banda prohibida de electrones en su estructura interna. Como resultado, los electrones no tienen obstáculos y fluyen rápidamente a través de él cuando el material está energizado. Los mejores materiales semiconductores, como el silicio, tienen una banda prohibida considerable que permite activar y desactivar un flujo de electrones. Esa capacidad es vital para crear las cadenas de ceros y unos que componen los códigos informáticos binarios utilizados en transistores y circuitos integrados.

Los científicos de materiales están explorando el potencial de otros materiales bidimensionales y atómicamente delgados con la esperanza de encontrar productos superiores al grafeno y al silicio.

Se ha discutido la ingeniería de deformación como una posible forma de mejorar el rendimiento de estos materiales, porque su estructura ultrafina los hace particularmente susceptibles a doblarse y estirarse, a diferencia de sus formas a granel tridimensionales más grandes. Pero probar el impacto de la tensión en materiales de solo unos pocos átomos de espesor ha demostrado ser enormemente difícil.

En el presente estudio, Pettes y Wei Wu, un doctorado estudiante en el laboratorio de Pettes y autor principal del estudio, pudieron medir con éxito la influencia de la deformación en una bicapa monocristalina de diselenuro de tungsteno encapsulándola primero en una fina capa de vidrio acrílico y luego calentándola en una cámara de gas argón. (La exposición al aire destruiría la muestra). Este procesamiento térmico fortaleció la adhesión del material a un sustrato de polímero, permitiendo una transferencia casi perfecta de la tensión aplicada, que ha sido difícil de lograr en experimentos anteriores.

Luego, el grupo personalizó un dispositivo de doblado que les permitió aumentar cuidadosamente la tensión en el material mientras monitoreaban cómo respondía a través de un espectrómetro Horiba Multiline Raman en el Centro de Harvard para Sistemas a Nanoescala. una instalación de usuario compartida financiada por la National Science Foundation.

Fue un momento excitante.

"Nuestro nuevo método nos permitió aplicar alrededor de dos veces más tensión al material 2-D de lo que ha informado cualquier estudio anterior, "dice Pettes." Básicamente, estábamos en un nuevo territorio ".

Por último, los investigadores encontraron que la aplicación de niveles crecientes de tensión al material alteraba su flujo de electrones, que se reflejó en el aumento de la intensidad de la fotoluminiscencia.

Trabajando con el experto en modelado por computadora Avinash Dongare, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en UConn, y ex Ph.D. estudiante Jin Wang el equipo pudo demostrar que su proceso podía, teóricamente, manipular la banda prohibida del diselenuro de tungsteno y otros materiales atómicamente delgados, lo cual es extremadamente importante para los ingenieros de diseño que buscan semiconductores y sensores más rápidos y eficientes. Manipular un semiconductor con una banda prohibida indirecta muy cerca del punto de transición a una banda prohibida directa podría conducir a capacidades de procesamiento extremadamente rápidas.

"Esta es la primera vez que se ha informado de manera concluyente sobre el control extrínseco sobre una transición de banda prohibida de electrones indirecta a directa, ", dice Pettes." Nuestros hallazgos deberían permitir a los científicos computacionales que utilizan inteligencia artificial diseñar nuevos materiales con estructuras extremadamente resistentes a la tensión o sensibles a la tensión. Eso es extremadamente importante para la próxima generación de dispositivos nanoelectrónicos y optoelectrónicos flexibles de alto rendimiento ".