Un equipo de investigadores en ciencia de materiales de la Universidad Northwestern ha desarrollado un nuevo método para ver el movimiento dinámico de los átomos en materiales bidimensionales atómicamente delgados. La técnica de imagen, que revela la causa subyacente detrás de la falla de rendimiento de un material 2-D ampliamente utilizado, podría ayudar a los investigadores a desarrollar materiales más estables y fiables para futuros wearables y dispositivos electrónicos flexibles.

Estos materiales bidimensionales, como el grafeno y el borofeno, son una clase de materiales cristalinos con amplio potencial como semiconductores en ultradelgados avanzados, electrónica flexible. Sin embargo, debido a su naturaleza delgada, los materiales son muy sensibles a los entornos externos, y han luchado por demostrar estabilidad y confiabilidad a largo plazo cuando se utilizan en dispositivos electrónicos.

"Los materiales 2-D atómicamente delgados ofrecen el potencial de reducir drásticamente los dispositivos electrónicos, convirtiéndolos en una opción atractiva para potenciar los dispositivos electrónicos portátiles y flexibles del futuro, "dijo Vinayak Dravid, Profesor Abraham Harris de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick.

El estudio, titulado "Visualización directa de la dinámica estructural inducida por el campo eléctrico en dichalcogenuros de metales de transición monocapa, "fue publicado el 11 de febrero en la revista ACS Nano . Dravid es el autor correspondiente del artículo. Chris Wolverton, el Profesor Jerome B. Cohen de Ciencia e Ingeniería de Materiales, también contribuyó a la investigación.

"Desafortunadamente, Los dispositivos electrónicos ahora funcionan como una especie de "caja negra". Aunque las métricas del dispositivo se pueden medir, se desconoce el movimiento de átomos individuales dentro de los materiales responsables de estas propiedades, lo que limita en gran medida los esfuerzos para mejorar el rendimiento, "agregó Dravid, quien se desempeña como director del Centro de Caracterización Atómica y Nanoescala (NUANCE) de la Universidad Northwestern. La investigación permite una forma de superar esa limitación con una nueva comprensión de la dinámica estructural en juego dentro de los materiales 2-D que reciben voltaje eléctrico.

Sobre la base de un estudio anterior en el que los investigadores utilizaron una técnica de imágenes a nanoescala para observar fallas en materiales 2-D causadas por el calor, el equipo utilizó una alta resolución, Método de obtención de imágenes a escala atómica llamado microscopía electrónica para observar el movimiento de los átomos en el disulfuro de molibdeno (MoS2), un material bien estudiado originalmente utilizado como lubricante seco en grasas y materiales de fricción que recientemente ha ganado interés por sus propiedades electrónicas y ópticas. Cuando los investigadores aplicaron una corriente eléctrica al material, observaron que sus átomos de azufre altamente móviles se movían continuamente a áreas vacías en el material cristalino, un fenómeno que llamaron, "danza atómica".

Ese movimiento Sucesivamente, provocó que los límites de grano del MoS2, un defecto natural creado en el espacio donde se unen dos cristalitos dentro del material, se separaran, formando canales estrechos por los que pasa la corriente.

"A medida que estos límites de grano se separan, te quedan solo un par de canales estrechos, haciendo que aumente la densidad de la corriente eléctrica a través de estos canales, "dijo Akshay Murthy, un doctorado estudiante del grupo de Dravid y autor principal del estudio. "Esto conduce a mayores densidades de energía y temperaturas más altas en esas regiones, lo que en última instancia conduce a fallas en el material ".

"Es poderoso poder ver exactamente lo que está sucediendo a esta escala, "Continuó Murthy." Usando técnicas tradicionales, podríamos aplicar un campo eléctrico a una muestra y ver cambios en el material, pero no pudimos ver qué estaba causando esos cambios. Si no conoces la causa es difícil eliminar los mecanismos de falla o prevenir el comportamiento en el futuro ".

Con esta nueva forma de estudiar materiales 2-D a nivel atómico, el equipo cree que los investigadores podrían usar este enfoque de imágenes para sintetizar materiales que son menos susceptibles a fallas en dispositivos electrónicos. En dispositivos de memoria, por ejemplo, Los investigadores pudieron observar cómo las regiones donde se almacena la información evolucionan a medida que se aplica la corriente eléctrica y adaptar cómo se diseñan esos materiales para un mejor rendimiento.

La técnica también podría ayudar a mejorar una serie de otras tecnologías, desde transistores en bioelectrónica hasta diodos emisores de luz (LED) en electrónica de consumo y células fotovoltaicas que comprenden paneles solares.

"Creemos que la metodología que hemos desarrollado para monitorear cómo se comportan los materiales 2-D en estas condiciones ayudará a los investigadores a superar los desafíos actuales relacionados con la estabilidad del dispositivo, "Este avance nos acerca un paso más hacia el traslado de estas tecnologías del laboratorio al mercado", dijo Murthy.