Los pasos muy pequeños marcan una gran diferencia para los investigadores que desean crear grandes obleas de material bidimensional.

Los escalones del tamaño de un átomo en un sustrato proporcionan los medios para que los cristales 2-D que crecen en un horno de vapor químico se junten en un rango perfecto. Los científicos han observado recientemente este fenómeno, y ahora un grupo de la Universidad de Rice tiene una idea de por qué funciona.

El teórico de los materiales de arroz Boris Yakobson y la investigadora Ksenia Bets dirigieron la construcción de simulaciones que muestran pasos del tamaño de un átomo en una superficie de crecimiento. o sustrato, tienen la notable capacidad de mantener alineadas las islas de cristal monocapa a medida que crecen.

Si las condiciones son las adecuadas, las islas se unen en un cristal más grande sin los límites de grano tan característicos de los materiales 2-D como el grafeno cultivado a través de la deposición química de vapor (CVD). Que conserve su perfección y características electrónicas, que difieren según el material.

La teoría de Rice aparece en la revista American Chemical Society Nano letras .

La investigación se centró en el nitruro de boro hexagonal (h-BN), también conocido como grafeno blanco, un cristal que a menudo se cultiva a través de CVD. Los cristales se nuclean en varios lugares sobre un material de sustrato perfectamente plano y no necesariamente alineados entre sí.

Sin embargo, experimentos recientes han demostrado que el crecimiento en sustratos vecinales, superficies que parecen planas pero en realidad tienen escasas, pasos atómicamente pequeños:pueden alinear los cristales y ayudarlos a fusionarse en uno solo, estructura uniforme, como se informó en arXiv. Coautor de ese informe y líder del equipo coreano, Feng Ding, es un alumno del laboratorio de Yakobson y un profesor adjunto actual en Rice.

Pero los experimentalistas no muestran cómo funciona como, Yakobson dijo:se sabe que los escalones serpentean y están algo desalineados.

"Me gusta comparar el mecanismo con un 'filtro digital, 'aquí ofrecido por la naturaleza discreta de las redes atómicas, ", dijo." La curva analógica que, con sus laderas, describe un paso serpenteante que es 'muestreado y digitalizado' por la misma cuadrícula de filas atómicas constituyentes, dividiendo la curva en segmentos rectos de terraza 1D. La pendiente no ayuda pero no duele. Asombrosamente, el partido puede ser bueno; como una casa bien diseñada en una colina, está de pie.

"La teoría es simple, aunque tomó mucho trabajo calcular y confirmar la complementariedad entre la plantilla de metal y el h-BN, casi como para los pares A-G-T-C en hebras de ADN, "Dijo Yakobson.

No estaba claro por qué los cristales se fusionaron en uno tan bien hasta que las simulaciones de Bets, con la ayuda del coautor y estudiante graduado de Rice, Nitant Gupta, mostró cómo las "islas" de h-BN permanecen alineadas mientras se nuclean a lo largo de escalones visiblemente curvos.

"Una superficie vecina tiene escalones que están ligeramente desalineados dentro del área plana, "Bets dijo." Tiene grandes terrazas, pero en ocasiones habrá pasos de un átomo de altura. El truco de los experimentalistas fue alinear estos pasos vecinos en una dirección ".

En la deposición de vapor químico, un gas caliente de los átomos que formarán el material fluye hacia la cámara, donde se asientan sobre el sustrato y nuclean los cristales. Los átomos de h-BN en una superficie vecina prefieren asentarse en el hueco de los escalones.

"Tienen este lindo rincón donde los átomos tendrán más vecinos, que los hace más felices, ", Dijo Bets." Intentan alinearse con los pasos y crecer a partir de ahí.

"Pero desde el punto de vista de la física, es imposible tener un perfecto paso atómicamente plano, ", dijo." Tarde o temprano, habrá pequeñas hendiduras, o torceduras. Descubrimos que a escala atómica, estas torceduras en los pasos no evitan que h-BN se alinee si sus dimensiones son complementarias a la estructura de h-BN. De hecho, ayudan a asegurar la coorientación de las islas ".

Debido a que los pasos que modeló el laboratorio de Rice tienen 1,27 angstroms de profundidad (un angstrom es una mil millonésima parte de un metro), los cristales en crecimiento tienen pocos problemas para superar el límite. "Esos pasos son más pequeños que la distancia de enlace entre los átomos, "Bets dijo." Si fueran más grandes, como dos angstroms o más, sería más una barrera natural, por lo que los parámetros deben ajustarse con cuidado ".

Dos islas en crecimiento que se acercan entre sí se unen sin problemas, según las simulaciones. Similar, las grietas que aparecen a lo largo de los escalones se curan fácilmente porque los enlaces entre los átomos son lo suficientemente fuertes como para superar la pequeña distancia.

Vale la pena seguir cualquier camino hacia el crecimiento a gran escala de materiales 2-D para un ejército de aplicaciones, según los investigadores. Materiales 2-D como el grafeno conductor, El h-BN aislante y los dicalcogenuros de metales de transición semiconductores son objeto de un intenso escrutinio por parte de investigadores de todo el mundo. Los investigadores de Rice esperan que sus modelos teóricos señalen el camino hacia grandes cristales de muchos tipos.