Esta animación muestra un escaneo de escamas en forma de flecha de un material 2D. Las muestras se escanearon a través de su energía electrónica, impulso, y coordenadas horizontales y verticales utilizando una técnica basada en rayos X conocida como nanoARPES en la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. El rojo representa la intensidad más alta medida, seguido de naranja, amarillo, verde, azul, y violeta (menos intenso). Crédito:Roland Koch / Berkeley Lab
Nada es perfecto, O eso dice el refrán, y eso no siempre es malo. En un estudio en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab), Los científicos aprendieron cómo los defectos a nanoescala pueden mejorar las propiedades de un ultrafino, el llamado material 2-D.
Combinaron una caja de herramientas de técnicas para enfocarse en lo natural, Los defectos a nanoescala se formaron en la fabricación de pequeñas escamas de un material monocapa conocido como disulfuro de tungsteno (WS2) y midieron sus efectos electrónicos en detalle que antes no era posible.
"Normalmente decimos que los defectos son malos para un material, "dijo Christoph Kastl, investigador postdoctoral en Molecular Foundry de Berkeley Lab y autor principal del estudio, publicado en la revista ACS Nano . "Aquí brindan funcionalidad".
El disulfuro de tungsteno es un material 2-D bien estudiado que, como otros materiales bidimensionales de este tipo, exhibe propiedades especiales debido a su delgadez atómica. Es particularmente conocido por su eficiencia para absorber y emitir luz, y es un semiconductor.
Los miembros de esta familia de materiales 2-D podrían servir como transistores de computadora de alta eficiencia y como otros componentes electrónicos, y también son los principales candidatos para su uso en ultrafinos, células solares de alta eficiencia e iluminación LED, así como en las computadoras cuánticas.
Estos materiales 2-D también podrían incorporarse en nuevas formas de almacenamiento de memoria y transferencia de datos, como espintrónica y valleytronics, eso revolucionaría la electrónica al hacer uso de materiales de nuevas formas para fabricar dispositivos más pequeños y eficientes.
El último resultado marca el primer estudio completo en la fuente de luz avanzada (ALS) del laboratorio que involucra una técnica llamada nanoARPES, que los investigadores se alistaron para sondear las muestras bidimensionales con rayos X. Los rayos X eliminaron los electrones de la muestra, permitiendo a los investigadores medir su dirección y energía. Esto reveló defectos a nanoescala y cómo los electrones interactúan entre sí.
La capacidad nanoARPES está alojada en una línea de rayos X, lanzado en 2016, conocido como MAESTRO (Observatorio de Estructuras Microscópicas y Electrónicas). Es una de las docenas de líneas de luz especializadas en ALS, que produce luz en diferentes formas, desde infrarrojos hasta rayos X, para una variedad de experimentos simultáneos.
"Es un gran avance conseguir esta estructura electrónica en escalas de pequeña longitud, "dijo Eli Rotenberg, un científico senior de la ALS que fue una fuerza impulsora en el desarrollo de MAESTRO y se desempeñó como uno de los líderes del estudio. "Eso es importante para los dispositivos reales".
El equipo también reclutó una técnica conocida como XPS (espectroscopia de fotoelectrones de rayos X) para estudiar la composición química de una muestra a escalas muy pequeñas; una forma de AFM (microscopía de fuerza atómica) para ver detalles estructurales que se acercan a la escala atómica; y una forma combinada de espectroscopía óptica (Raman / espectroscopía de fotoluminiscencia) para estudiar cómo la luz interactúa con los electrones a escalas microscópicas.
Las diversas técnicas se aplicaron en la Fundición Molecular, donde se sintetizó el material, y en la ALS. La muestra utilizada en el estudio contenía microscópicos, escamas aproximadamente triangulares, cada uno mide entre 1 y 5 micrones (millonésimas de metro) de ancho. Se cultivaron sobre cristales de dióxido de titanio utilizando un proceso de estratificación convencional conocido como deposición química de vapor. y los defectos se concentraron en gran medida alrededor de los bordes de las escamas, una firma del proceso de crecimiento. La mayoría de los experimentos se centraron en una sola escama de disulfuro de tungsteno.
Esta imagen muestra una ilustración de la estructura atómica de un material 2D llamado disulfuro de tungsteno. Los átomos de tungsteno se muestran en azul y los átomos de azufre se muestran en amarillo. La imagen de fondo, tomada por un microscopio electrónico en la Fundición Molecular de Berkeley Lab, muestra agrupaciones de escamas del material (gris oscuro) que crecen mediante un proceso llamado deposición química de vapor sobre una capa de dióxido de titanio (gris claro). Crédito:Katherine Cochrane / Berkeley Lab
Adam Schwartzberg, un científico del personal de Molecular Foundry que se desempeñó como codirector del estudio, dijo, "Se necesitó una combinación de múltiples tipos de técnicas para precisar lo que realmente está sucediendo".
Él agregó, "Ahora que sabemos qué defectos tenemos y qué efecto tienen en las propiedades del material, podemos utilizar esta información para reducir o eliminar defectos, o si desea el defecto, nos da una forma de saber dónde están los defectos, "y proporciona una nueva perspectiva sobre cómo propagar y amplificar los defectos en el proceso de producción de muestras.
Si bien la concentración de defectos de borde en las escamas WS2 se conocía generalmente antes del último estudio, Schwartzberg dijo que sus efectos sobre el rendimiento de los materiales no se habían estudiado previamente de una manera tan completa y detallada.
Los investigadores descubrieron que una deficiencia del 10 por ciento en átomos de azufre estaba asociada con las regiones de borde defectuosas de las muestras en comparación con otras regiones. e identificaron un mechero, 3 por ciento de deficiencia de azufre hacia el centro de las escamas. Los investigadores también notaron un cambio en la estructura electrónica y una mayor abundancia de portadores de carga eléctrica que se mueven libremente asociados con las áreas de borde de alto defecto.
Para este estudio, los defectos se debieron al proceso de crecimiento de la muestra. Los estudios futuros de nanoARPES se centrarán en muestras con defectos inducidos mediante procesamiento químico u otros tratamientos. Los investigadores esperan controlar la cantidad y los tipos de átomos afectados, y los lugares donde estos defectos se concentran en las escamas.
Estos pequeños ajustes podrían ser importantes para procesos como la catálisis, que se utiliza para mejorar y acelerar muchos procesos de producción química industrial importantes, y explorar procesos cuánticos que se basan en la producción de partículas individuales que sirven como portadores de información en la electrónica.
Esta secuencia de imágenes muestra una variedad de intensidades de energía (blanco y amarillo) en los bordes de un material 2D conocido como disulfuro de tungsteno, medido mediante diferentes técnicas:intensidad de fotoluminiscencia (extremo izquierdo); mapa de diferencia de potencial de contacto (segundo desde la izquierda); Intensidad de emisión de excitones (tercero desde la izquierda):los excitones son pares consistentes de un electrón y su contraparte de cuasipartícula, llamado agujero; intensidad de emisión de triones (extremo derecho):los triones son grupos de tres cuasipartículas cargadas que consisten en dos electrones y un agujero o dos agujeros y un electrón). Crédito:Christoph Kastl / Berkeley Lab
Debido a que la investigación de WS2 y materiales 2-D relacionados aún está en su infancia, hay muchas incógnitas sobre el papel que juegan los tipos específicos de defectos en estos materiales, y Rotenberg señaló que existe un mundo de posibilidades para la llamada "ingeniería de defectos" en estos materiales.
Además, NanoARPES de MAESTRO tiene la capacidad de estudiar las estructuras electrónicas de pilas de diferentes tipos de capas de material 2-D. Esto puede ayudar a los investigadores a comprender cómo sus propiedades dependen de su disposición física, y explorar dispositivos de trabajo que incorporen materiales bidimensionales.
"La pequeña escala sin precedentes de las mediciones, que actualmente se acerca a los 50 nanómetros, convierte a nanoARPES en una gran herramienta de descubrimiento que será particularmente útil para comprender nuevos materiales a medida que se inventen, "Dijo Rotenberg.
MAESTRO es una de las líneas de luz prioritarias que se actualizará como parte del proyecto ALS Upgrade (ALS-U) del laboratorio, una empresa importante que producirá aún más brillante, rayos de luz más enfocados para experimentos. "El proyecto ALS-U mejorará aún más el rendimiento de la técnica nanoARPES, "Rotenberg dijo, "Haciendo sus mediciones de 10 a 30 veces más eficientes y mejorando significativamente nuestra capacidad para alcanzar escalas de longitud aún más cortas".
NanoARPES podría desempeñar un papel importante en el desarrollo de nuevas tecnologías solares, porque permite a los investigadores ver cómo las variaciones a nanoescala en la composición química, número de defectos, y otras características estructurales afectan a los electrones que, en última instancia, gobiernan su desempeño. Estos mismos problemas son importantes para muchos otros materiales complejos, como superconductores, imanes y termoeléctricos, que convierten la temperatura en corriente y viceversa, por lo que nanoARPES también será muy útil para estos.
