Una variedad de materiales bidimensionales que tienen propiedades prometedoras para ópticas, electrónico, o las aplicaciones optoelectrónicas se han visto frenadas por el hecho de que se degradan rápidamente cuando se exponen al oxígeno y al vapor de agua. Los recubrimientos protectores desarrollados hasta ahora han demostrado ser costosos y tóxicos. y no se puede quitar.

Ahora, un equipo de investigadores en el MIT y en otros lugares ha desarrollado un recubrimiento ultrafino que es económico, simple de aplicar, y se puede eliminar aplicando ciertos ácidos.

El nuevo recubrimiento podría abrir una amplia variedad de aplicaciones potenciales para estos materiales 2-D "fascinantes", dicen los investigadores. Sus hallazgos se publican esta semana en la revista. PNAS , en un artículo del estudiante graduado del MIT Cong Su; profesores Ju Li, Jing Kong, Mircea Dinca, y Juejun Hu; y otras 13 personas en el MIT y en Australia, Porcelana, Dinamarca, Japón, y el Reino Unido

Investigación sobre materiales 2-D, que forman láminas delgadas de solo uno o unos pocos átomos de espesor, es "un campo muy activo, ", Dice Li. Debido a sus inusuales propiedades electrónicas y ópticas, estos materiales tienen aplicaciones prometedoras, como detectores de luz de alta sensibilidad. Pero muchos de ellos incluido el fósforo negro y toda una categoría de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), se corroe cuando se expone al aire húmedo oa diversos productos químicos. Muchos de ellos se degradan significativamente en solo horas, excluyendo su utilidad para aplicaciones del mundo real.

"Es un tema clave" para el desarrollo de dichos materiales, Dice Li. "Si no puede estabilizarlos en el aire, su procesabilidad y utilidad es limitada ". Una de las razones por las que el silicio se ha convertido en un material tan omnipresente para los dispositivos electrónicos, él dice, es porque forma naturalmente una capa protectora de dióxido de silicio en su superficie cuando se expone al aire, evitando una mayor degradación de la superficie. Pero eso es más difícil con estos materiales atómicamente delgados, cuyo espesor total podría ser incluso menor que la capa protectora de dióxido de silicio.

Ha habido intentos de revestir varios materiales 2-D con una barrera protectora, pero hasta ahora han tenido serias limitaciones. La mayoría de los recubrimientos son mucho más gruesos que los propios materiales 2-D. La mayoría también son muy frágiles, formando fácilmente grietas que dejan pasar el líquido o vapor corrosivo, y muchos también son bastante tóxicos, creando problemas de manipulación y eliminación.

El nuevo revestimiento, basado en una familia de compuestos conocidos como alquilaminas lineales, mejora estos inconvenientes, dicen los investigadores. El material se puede aplicar en capas ultrafinas, tan solo 1 nanómetro (una milmillonésima parte de un metro) de espesor, y el calentamiento adicional del material después de la aplicación cura las pequeñas grietas para formar una barrera contigua. El recubrimiento no solo es impermeable a una variedad de líquidos y solventes, sino que también bloquea significativamente la penetración de oxígeno. Y, se puede eliminar más tarde si es necesario mediante ciertos ácidos orgánicos.

"Este es un enfoque único" para proteger las láminas atómicas delgadas, Li dice:que produce una capa extra de solo una molécula de espesor, conocido como monocapa, que proporciona una protección notablemente duradera. "Esto le da al material un factor 100 más de vida útil, " él dice, extendiendo la procesabilidad y usabilidad de algunos de estos materiales desde unas pocas horas hasta meses. Y el compuesto de revestimiento es "muy barato y fácil de aplicar, " él añade.

Además del modelado teórico del comportamiento molecular de estos recubrimientos, el equipo fabricó un fotodetector funcional a partir de escamas de material TMD protegido con el nuevo recubrimiento, como prueba de concepto. El material de revestimiento es hidrofóbico, lo que significa que repele fuertemente el agua, que de otro modo se difundiría en el revestimiento y disolvería una capa de óxido protectora formada naturalmente dentro del revestimiento, conduciendo a una rápida corrosión.

La aplicación del recubrimiento es un proceso muy sencillo, Su explica. El material 2-D simplemente se coloca en un baño de hexilamina líquida, una forma de alquilamina lineal, que acumula la capa protectora después de unos 20 minutos, a una temperatura de 130 grados Celsius a presión normal. Luego, para producir un suave, superficie sin fisuras, el material se sumerge durante otros 20 minutos en vapor de la misma hexilamina.

"Simplemente coloque la oblea en este químico líquido y déjelo calentar, "Su dice". Básicamente, eso es todo. "El revestimiento" es bastante estable, pero puede eliminarse mediante ciertos ácidos orgánicos muy específicos ".

El uso de tales recubrimientos podría abrir nuevas áreas de investigación sobre materiales bidimensionales prometedores, incluidos los TMD y el fósforo negro, pero potencialmente también siliceno, estanina y otros materiales relacionados. Dado que el fósforo negro es el más vulnerable y fácilmente degradable de todos estos materiales, eso es lo que el equipo usó para su prueba de concepto inicial.

El nuevo recubrimiento podría proporcionar una forma de superar "el primer obstáculo para utilizar estos fascinantes materiales 2-D, "Su dice". Prácticamente hablando, debe lidiar con la degradación durante el procesamiento antes de poder usarlos para cualquier aplicación, "y ese paso ya se ha logrado, él dice.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.