Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía utilizó un proceso simple para implantar átomos con precisión en las capas superiores de cristales ultrafinos. produciendo estructuras de dos caras con diferentes composiciones químicas. Los materiales resultantes, conocidas como estructuras de Jano en honor al dios romano de dos caras, puede resultar útil en el desarrollo de tecnologías de la información y la energía.

"Estamos desplazando y reemplazando solo los átomos superiores en una capa que tiene solo tres átomos de espesor, y cuando terminemos, tenemos una hermosa monocapa de Janus donde todos los átomos en la parte superior son selenio, con tungsteno en el medio y azufre en la parte inferior, "dijo David Geohegan de ORNL, autor principal del estudio, que se publica en ACS Nano , una revista de la American Chemical Society. "Esta es la primera vez que los cristales Janus 2-D se fabrican mediante un proceso tan simple".

Yu-Chuan Lin, un ex becario postdoctoral de ORNL que dirigió el estudio, adicional, "Las monocapas de Janus son materiales interesantes porque tienen un momento dipolar permanente en forma bidimensional, lo que les permite separar la carga para aplicaciones que van desde la energía fotovoltaica hasta la información cuántica. Con esta sencilla técnica, podemos poner diferentes átomos en la parte superior o inferior de diferentes capas para explorar una variedad de otras estructuras de dos caras ".

Este estudio sondeó materiales 2-D llamados dicalcogenuros de metales de transición, o TMD, que son valorados por sus características eléctricas, propiedades ópticas y mecánicas. Ajustar sus composiciones puede mejorar sus habilidades para separar cargas, catalizar reacciones químicas o convertir energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.

Una sola capa de TMD está hecha de una capa de átomos de metales de transición, como tungsteno o molibdeno, intercalado entre capas de átomos de calcógeno, como azufre o selenio. Una monocapa de disulfuro de molibdeno, por ejemplo, presenta átomos de molibdeno entre capas de átomos de azufre, estructuralmente similar a una galleta sándwich con un centro cremoso entre dos obleas de chocolate. Reemplazar los átomos de azufre de un lado con átomos de selenio produce una monocapa de Janus, similar a cambiar una de las obleas de chocolate por una de vainilla.

Antes de este estudio, convertir una monocapa de TMD en una estructura de dos caras fue más una hazaña teórica que un logro experimental real. En los numerosos artículos científicos sobre monocapas de Janus publicados desde 2017, 60 reportaron predicciones teóricas y solo dos describieron experimentos para sintetizarlos, según Lin. Esto refleja la dificultad de fabricar monocapas de Janus debido a las importantes barreras energéticas que impiden su crecimiento mediante métodos típicos.

En 2015, el grupo ORNL descubrió que la deposición por láser pulsado podía convertir el diselenuro de molibdeno en disulfuro de molibdeno. En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, La deposición por láser pulsado es una técnica fundamental para el desarrollo de materiales cuánticos.

"Especulamos que al controlar la energía cinética de los átomos, podríamos implantarlos en una monocapa, pero nunca pensamos que podríamos lograr un control tan exquisito, "Dijo Geohegan." Sólo con el modelado computacional atomístico y la microscopía electrónica en ORNL pudimos entender cómo implantar solo una fracción de una monocapa, lo cual es asombroso ".

El método utiliza un láser pulsado para vaporizar un objetivo sólido en un plasma caliente, que se expande desde el objetivo hacia un sustrato. Este estudio utilizó un objetivo de selenio para producir un plasma en forma de haz de grupos de dos a nueve átomos de selenio, que se dirigieron a golpear cristales de monocapa de disulfuro de tungsteno precrecidos.

La clave del éxito en la creación de monocapas de dos caras es bombardear los cristales con una cantidad precisa de energía. Tira una bala a una puerta por ejemplo, y rebota en la superficie. Pero dispara a la puerta y la bala la atraviesa. Implantar grupos de selenio solo en la parte superior de la monocapa es como disparar a una puerta y hacer que la bala se detenga en su superficie.

"No es fácil afinar tus balas, "Dijo Geohegan. Los grupos de selenio más rápidos, con energías de 42 electronvoltios (eV) por átomo, rasgado a través de la monocapa; debían reducirse de manera controlable para implantarse en la capa superior.

"Lo nuevo de este documento es que estamos usando energías tan bajas, ", dijo Lin." La gente nunca exploró el régimen por debajo de 10 eV por átomo porque las fuentes de iones comerciales solo bajan a 50 eV en el mejor de los casos y no le permiten elegir los átomos que le gustaría usar. Sin embargo, La deposición de láser pulsado nos permite elegir los átomos y explorar este rango de energía con bastante facilidad ".

La clave para sintonizar la energía cinética, Lin dijo, consiste en ralentizar de forma controlable los grupos de selenio añadiendo gas argón en una cámara de presión controlada. Limitar la energía cinética restringe la penetración de capas atómicamente delgadas a profundidades específicas. La inyección de un pulso de cúmulos de átomos a baja energía aglutina y desplaza temporalmente los átomos en una región, causando defectos locales y desorden en la red cristalina. "El cristal luego expulsa los átomos adicionales para curarse a sí mismo y se recristaliza en una red ordenada, "Explicó Geohegan. Repetir este proceso de implantación y curación una y otra vez puede aumentar la fracción de selenio en la capa superior al 100% para completar la formación de una monocapa de Janus de alta calidad.

La implantación y recristalización controlada de materiales bidimensionales en este régimen de baja energía cinética es un nuevo camino para la fabricación de materiales cuánticos bidimensionales. "Las estructuras Janus se pueden fabricar en cuestión de minutos a las bajas temperaturas que se requieren para la integración electrónica de semiconductores, "Lin dijo, allanando el camino para la fabricación en línea de producción. A continuación, los investigadores quieren intentar hacer monocapas de Janus en sustratos flexibles útiles en la producción en masa, como los plásticos.

Para demostrar que habían logrado una estructura de Janus, Chenze Liu y Gerd Duscher, ambos de la Universidad de Tennessee, Knoxville, y Matthew Chisholm de ORNL utilizaron microscopía electrónica de alta resolución para examinar un cristal inclinado para identificar qué átomos estaban en la capa superior (selenio) versus la capa inferior (azufre).

Sin embargo, comprender cómo el proceso reemplazó los átomos de azufre con átomos de selenio más grandes, una hazaña energéticamente difícil, fue un desafío. Mina Yoon de ORNL usó supercomputadoras en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, para calcular la dinámica energética de esta batalla cuesta arriba a partir de la teoría utilizando los primeros principios.

Más lejos, los científicos necesitaban comprender cómo la energía se transfiere de los cúmulos a las celosías para crear defectos locales. Con simulaciones de dinámica molecular, Eva Zarkadoula de ORNL mostró que grupos de átomos de selenio chocan con la monocapa a diferentes energías y rebotan en ella, chocar contra él o implantarlo, de acuerdo con los resultados experimentales.

Para confirmar aún más la estructura de Janus, Los investigadores de ORNL demostraron que las estructuras habían predicho características calculando sus modos vibratorios y realizando experimentos de espectroscopía Raman y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.

Para entender que la pluma estaba hecha de racimos, Los científicos utilizaron una combinación de espectroscopía óptica y espectrometría de masas para medir masas y velocidades moleculares. Tomados en conjunto, La teoría y el experimento indicaron que de 3 a 5 eV por átomo era la energía óptima para una implantación precisa para formar estructuras de Janus.

El título del artículo es "Implantación de baja energía en monocapas de dicalcogenuro de metales de transición para formar estructuras de Janus".