Los nuevos materiales 2-D tienen el potencial de transformar tecnologías, con aplicaciones desde células solares hasta teléfonos inteligentes y dispositivos electrónicos portátiles, explica Can Ataca de la UMBC, profesor asistente de física. Estos materiales consisten en una sola capa de átomos unidos en una estructura cristalina. De hecho, son tan delgados que una pila de 10 millones de ellos solo tendría un milímetro de grosor. Y aveces, Ataca dice, menos es más. Algunos materiales 2-D son más efectivos y eficientes que materiales similares que son mucho más gruesos.

A pesar de sus ventajas, sin embargo, Los materiales 2-D son actualmente difíciles y costosos de fabricar. Eso significa que los científicos que intentan crearlos deben tomar decisiones cuidadosas sobre cómo invierten su tiempo, energía, y fondos en desarrollo.

Nueva investigación de Daniel Wines, Doctor. candidato en física, y Ataca brinda a esos científicos la información que necesitan para realizar investigaciones de alto impacto en este campo. Su trabajo teórico proporciona información confiable sobre qué nuevos materiales podrían tener propiedades deseables para una variedad de aplicaciones y podrían existir de forma estable en la naturaleza. En un artículo reciente publicado en Materiales e interfaces aplicados de ACS, utilizaron técnicas de modelado informático de vanguardia para predecir las propiedades de los materiales bidimensionales que aún no se han fabricado en la vida real.

"Por lo general, intentamos estar cinco años por delante de los experimentadores, "dice Wines. De esa manera, pueden evitar caer en costosos callejones sin salida. "Ese es el momento, esfuerzo, y dinero para que puedan concentrarse en otras cosas ".

La mezcla perfecta

El nuevo artículo se centra en la estabilidad y las propiedades de los materiales 2-D llamados nitruros del grupo III. Estas son mezclas de nitrógeno y un elemento del grupo III en la tabla periódica, que incluye aluminio, galio, indio y boro.

Los científicos ya han fabricado algunos de estos materiales bidimensionales en pequeñas cantidades. En lugar de mirar mezclas de uno de los elementos del grupo III con nitrógeno, sin embargo, Vinos y aleaciones modeladas de Ataca:mezclas que incluyen nitrógeno y dos elementos diferentes del grupo III. Por ejemplo, predijeron las propiedades de los materiales hechos principalmente de aluminio, pero con un poco de galio añadido, o principalmente galio, pero con un poco de indio añadido.

Estos materiales "intermedios" pueden tener propiedades intermedias que podrían ser útiles en determinadas aplicaciones. "Al hacer esta aleación, podemos decir, Tengo luz naranja, pero tengo materiales que pueden absorber la luz roja y la luz amarilla, "Ataca dice." Entonces, ¿cómo puedo mezclar eso para que pueda absorber la luz naranja? "Ajustar las capacidades de absorción de luz de estos materiales podría mejorar la eficiencia de los sistemas de energía solar, por ejemplo.

Aleaciones del futuro

Ataca and Wines también analizaron las propiedades eléctricas y termoeléctricas de los materiales. Un material tiene capacidad termoeléctrica si puede generar electricidad cuando un lado está frío y el otro caliente. Los nitruros básicos del grupo III tienen propiedades termoeléctricas, "pero a determinadas concentraciones, las propiedades termoeléctricas de las aleaciones son mejores que los nitruros básicos del grupo III, Ataca dice.

Wines agrega, "Esa es la principal motivación para realizar la aleación:la capacidad de sintonización de las propiedades".

También demostraron que no todas las aleaciones serían estables en la vida real. Por ejemplo, las mezclas de aluminio y boro en cualquier concentración no fueron estables. Sin embargo, cinco proporciones diferentes de mezclas de galio-aluminio fueron estables.

Una vez que la producción de los nitruros básicos del grupo III se vuelva más confiable y se amplíe, Wines y Ataca esperan que los científicos trabajen en la ingeniería de los materiales para aplicaciones específicas utilizando sus resultados como guía.

De vuelta a lo básico ... con supercomputadoras

Wines y Ataca modelaron las propiedades de los materiales utilizando supercomputadoras. En lugar de utilizar datos experimentales como entrada para sus modelos, "Estamos utilizando los conceptos básicos de la mecánica cuántica para crear estas propiedades. Así que lo bueno es que no tenemos sesgos experimentales, "Ataca dice." Estamos trabajando en cosas que no tienen ninguna evidencia experimental antes. Así que este es un enfoque confiable ".

Obtener los resultados más precisos requiere una gran cantidad de potencia informática y lleva mucho tiempo. Ejecutar sus modelos con el nivel de precisión más alto puede llevar varios días.

"Es como contar una historia, "Wines dice." Pasamos por el nivel más básico para filtrar los materiales, "que solo toma alrededor de una hora". Y luego pasamos a los niveles más altos de precisión, usando las computadoras más poderosas, para encontrar los parámetros más precisos posibles ".

"Creo que la parte hermosa de estos estudios es que comenzamos en lo básico y literalmente subimos al nivel más preciso en nuestro campo, Ataca agrega. "Pero siempre podemos pedir más".

Una nueva frontera

Han continuado avanzando hacia un territorio científico inexplorado. En un papel diferente publicado dentro de una semana de la primera en Materiales e interfaces aplicados de ACS , Theodosia Gougousi, profesor de física; Jaron Kropp, Doctor. '20, física; y Ataca demostró una forma de integrar materiales 2-D en dispositivos reales.

Los materiales 2-D a menudo necesitan conectarse a un circuito electrónico dentro de un dispositivo. Se requiere una capa intermedia para hacer esa conexión, y el equipo encontró una que funciona. "Tenemos una molécula que puede hacer esto, que puede hacer una conexión con el material, para utilizarlo en aplicaciones de circuitos externos, Ataca dice.

Este resultado es un gran problema para la implementación de materiales 2-D. "Este trabajo combina la investigación experimental fundamental sobre los procesos que ocurren en la superficie de cristales atómicos 2-D con una evaluación computacional detallada del sistema, "Dice Gougousi." Proporciona orientación a la comunidad de dispositivos para que puedan integrar con éxito materiales novedosos en arquitecturas de dispositivos tradicionales ".

Colaboración entre disciplinas

Los análisis teóricos para este trabajo sucedieron en el laboratorio de Ataca, y los experimentos ocurrieron en el laboratorio de Gougousi. Kropp trabajó en ambos grupos.

"El proyecto ejemplifica la sinergia que se requiere para el desarrollo y el avance de la ciencia y la tecnología, "Dice Gougousi." También es un gran ejemplo de las oportunidades que tienen nuestros estudiantes de posgrado para trabajar en problemas de gran interés tecnológico, y desarrollar una amplia base de conocimientos y un conjunto único de habilidades técnicas ".

Kropp, quién es el primer autor del segundo artículo, está encantado de haber tenido esta experiencia de investigación.

"Los semiconductores 2-D son interesantes porque tienen potencial para aplicaciones en dispositivos electrónicos no tradicionales, como dispositivos electrónicos portátiles o flexibles, ya que son tan delgados, ", dice." Tuve la suerte de tener dos excelentes asesores, porque esto me permitió combinar el trabajo experimental y teórico a la perfección. Espero que los resultados de este trabajo puedan ayudar a otros investigadores a desarrollar nuevos dispositivos basados ​​en materiales 2-D ".