Las ondas en una red de átomos de telurio formados en telureno de tres capas en la Universidad de Rice muestran varios politipos (diferentes arreglos atómicos basados en cómo se apilan las capas) con distintas propiedades electrónicas y ópticas. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
De la forma en que las cosas ocurren a menudo en la ciencia, Amey Apte no buscaba telurio bidimensional mientras experimentaba con materiales en la Universidad de Rice. Pero ahí estaba.
"Es como si hubiera intentado encontrar un centavo y en su lugar encontré un dólar, " él dijo.
Apte y sus colegas hicieron telurio, un metal raro, en una película de menos de un nanómetro (una mil millonésima parte de un metro) de espesor al derretir un polvo del elemento a alta temperatura y soplar los átomos sobre una superficie. Dijo que el material resultante, telureno, se muestra prometedor para la próxima generación, células solares de infrarrojo cercano y otras aplicaciones optoelectrónicas que dependen de la manipulación de la luz.
El premio gordo delgado se describe en Materiales 2D.
"Estaba tratando de cultivar un dicalcogenuro de metal de transición, ditelurida de tungsteno, pero debido a que el tungsteno tiene un alto punto de fusión, fue difícil, "dijo Apte, Pulickel Ajayan, estudiante de posgrado en el laboratorio de Rice del científico de materiales y coautor principal del artículo. "Pero observé algunas otras películas que me interesaron".
Las otras películas resultaron ser cristales ultrafinos de telurio puro. Otros experimentos llevaron a los investigadores a crear el nuevo material en dos formas:una gran, película consistente de unos 6 nanómetros de espesor que cubría una superficie de un centímetro cuadrado, y una película de tres capas atómicas que medía menos de un nanómetro de espesor.
Las simulaciones de telureno de tres capas colocadas sobre una imagen microscópica del material creado en la Universidad de Rice muestran la precisión de cómo las ondas en una hoja del material obligarían a los átomos a adoptar tres configuraciones distintas. Aunque conectado, estos politipos tienen diferentes propiedades ópticas y electrónicas. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
"Los dicalcogenuros de metales de transición están de moda en estos días, pero todos son materiales 2D compuestos, "Ajayan dijo." Este material es un solo elemento y muestra tanta riqueza estructural y variedad como un compuesto, por lo que el telurio 2D es interesante tanto desde un punto de vista teórico como experimental. Las capas de calcógeno de un solo elemento de delgadez atómica serían interesantes, pero no se han estudiado mucho ".
Las imágenes tomadas con el potente microscopio electrónico de Rice mostraron que las capas atómicas se habían dispuesto con precisión como predijo la teoría. como láminas hexagonales similares al grafeno ligeramente desplazadas entre sí. El telureno hecho en 650 grados Celsius (1, Horno de 202 grados Fahrenheit) mediante la fusión de polvo de telurio a granel, también parecía estar doblado suavemente de una manera que cambia sutilmente las relaciones entre los átomos en cada capa.
"Por eso, vemos diferentes politipos, lo que significa que la estructura cristalina del material sigue siendo la misma, pero la disposición atómica puede diferir en función de cómo se apilan las capas, "Apte dijo." En este caso, los tres politipos que vemos bajo el microscopio coinciden con estructuras teóricamente predichas y tienen arreglos de celosía completamente diferentes que dan a cada fase propiedades diferentes ".
"La anisotropía en el plano también significa que las propiedades de absorción óptica, la transmisión o la conductividad eléctrica serán diferentes en las dos direcciones principales, ", dijo la estudiante graduada de Rice y coautora principal Elizabeth Bianco". Por ejemplo, el telureno puede mostrar conducción eléctrica hasta tres órdenes de magnitud más alta que el disulfuro de molibdeno, y sería útil en optoelectrónica ".
Los modelos informáticos creados por científicos de la Universidad del Sur de California muestran las energías de enlace entre los átomos en el telureno sintetizado en la Universidad Rice. Las tres capas de telureno ultrafino no están perfectamente alineadas, dando al material propiedades metálicas y semiconductoras. Crédito:Grupo de Investigación Ajayan / Universidad Rice
También se fabricaron películas de telurio más gruesas al vacío a temperatura ambiente mediante deposición con láser pulsado, que explotó los átomos a granel y les permitió formar una película estable sobre una superficie de óxido de magnesio.
El telureno podría tener propiedades topológicas con beneficios potenciales para la espintrónica y la magnetoelectrónica. "Los átomos de telurio son mucho más pesados que el carbono, "Apte dijo." Muestran un fenómeno llamado acoplamiento espín-órbita, que es muy débil en elementos más ligeros, y permite una física mucho más exótica como las fases topológicas y los efectos cuánticos ".
"Lo fascinante del telureno que lo diferencia de otros materiales 2D es su estructura cristalina única y su alta temperatura de fusión, "dijo el coautor Ajit Roy, científico de materiales en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio. "Eso nos permite ampliar el rendimiento de la optoelectrónica, termoeléctricos y otros dispositivos de película fina ".
