Los materiales bidimensionales de los cristales en capas de van der Waals (vdW) son muy prometedores para la electrónica, optoelectrónico y dispositivos cuánticos, pero hacerlos / fabricarlos ha estado limitado por la falta de técnicas de alto rendimiento para exfoliar monocapas de monocristales con tamaño suficiente y alta calidad. Investigadores de la Universidad de Columbia informan hoy en Ciencias que han inventado un nuevo método, utilizando películas de oro ultraplanas, para desmontar los monocristales de vdW capa por capa en monocapas con un rendimiento cercano a la unidad y con dimensiones limitadas sólo por tamaños de cristal a granel.

Las monocapas generadas con esta técnica tienen la misma alta calidad que las creadas por la exfoliación convencional con "cinta adhesiva", pero son aproximadamente un millón de veces más grandes. Las monocapas se pueden ensamblar en estructuras artificiales macroscópicas, con propiedades que no se crean fácilmente en cristales a granel cultivados convencionalmente. Por ejemplo, Las capas de disulfuro de molibdeno se pueden alinear entre sí de modo que la pila resultante carece de simetría especular y, como resultado, demuestra una respuesta óptica fuertemente no lineal. donde absorbe luz roja y emite luz ultravioleta, un proceso conocido como segunda generación armónica.

"Este enfoque nos acerca un paso más a la producción en masa de monocapas macroscópicas y materiales artificiales a granel con propiedades controlables, "dice el co-investigador principal James Hone, Wang Fong-Jen, profesor de ingeniería mecánica en Columbia Engineering.

El descubrimiento hace 15 años de que las hojas atómicas individuales de carbono (grafeno) podían separarse fácilmente de los cristales de grafito y estudiarse como materiales perfectos en 2-D fue reconocido con el premio Nobel de Física 2010. Desde entonces, investigadores de todo el mundo han estudiado las propiedades y aplicaciones de una amplia variedad de materiales 2-D, y aprendió cómo combinar estas capas en heteroestructuras apiladas que son esencialmente nuevos materiales híbridos en sí mismos. El método de cinta adhesiva original desarrollado para el grafeno, que utiliza un polímero adhesivo para separar los cristales, es fácil de implementar pero no está bien controlado y produce hojas 2-D de tamaño limitado, por lo general decenas de micrómetros de ancho, o el tamaño de una sección transversal de una sola hebra de cabello.

Un desafío importante para el campo y la fabricación futura es cómo escalar este proceso a tamaños mucho más grandes en un proceso determinista que produce hojas 2-D bajo demanda. El enfoque dominante para ampliar la producción de materiales 2-D ha sido el crecimiento de películas delgadas, que ha arrojado grandes éxitos, pero aún enfrenta desafíos en la calidad del material, reproducibilidad, y las temperaturas requeridas. Otros grupos de investigación fueron pioneros en el uso de oro para exfoliar grandes láminas 2-D, pero han utilizado enfoques que dejan las láminas 2-D sobre sustratos de oro o involucran pasos intermedios de evaporación de átomos de oro calientes que dañan los materiales 2-D.

"En nuestro estudio, nos inspiramos en la industria de los semiconductores, que hace que las obleas de silicio ultrapuras que se utilizan para los chips de computadora crezcan grandes cristales individuales y los corten en discos delgados, "dice el investigador principal Xiaoyang Zhu, Profesor de la familia Howard de nanociencia en el departamento de química de Columbia. "Nuestro enfoque hace esto a escala atómica:comenzamos con un cristal de alta pureza de un material en capas y pelamos una capa a la vez, logrando láminas 2-D de alta pureza que tienen las mismas dimensiones que el cristal principal ".

Los investigadores siguieron el ejemplo del método de cinta adhesiva ganador del premio Nobel y desarrollaron una cinta dorada ultraplana en lugar de la cinta adhesiva de polímero. La superficie de oro atómicamente plana se adhiere fuerte y uniformemente a la superficie cristalina de un material 2-D y lo desmonta capa por capa. Las capas son del mismo tamaño y dimensión que el cristal original, lo que proporciona un grado de control mucho más allá de lo que se puede lograr con cinta adhesiva.

"El método de la cinta dorada es lo suficientemente suave como para que las escamas resultantes tengan la misma calidad que las obtenidas con la técnica de la cinta adhesiva, "dice el erudito postdoctoral Fang Liu, el autor principal del artículo. "Y lo que es especialmente emocionante es que podemos apilar estas obleas atómicamente delgadas en cualquier orden y orientación deseados para generar una clase completamente nueva de materiales artificiales".

El trabajo se llevó a cabo en el Centro de Ensamblaje de Precisión de Sólidos Superstraticos y Superatómicos, un Centro de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Materiales financiado por la Fundación Nacional de Ciencias y dirigido por Hone. El proyecto de investigación utilizó instalaciones compartidas operadas por Columbia Nano Initiative.

Motivado por los recientes y emocionantes avances en "twistronics, "el equipo ahora está explorando agregar una pequeña rotación entre capas en estos materiales artificiales. Al hacerlo, esperan lograr a escala macro el notable control sobre las propiedades cuánticas, como la superconductividad, que se ha demostrado recientemente en escamas del tamaño de un micrómetro. También están trabajando para ampliar su nueva técnica a un método general para todo tipo de materiales en capas, y analizar la automatización robótica potencial para la fabricación y comercialización a gran escala.