Bidimensional, Los materiales en capas son muy prometedores para una serie de aplicaciones, como plataformas alternativas para la próxima generación de dispositivos lógicos y de memoria y dispositivos flexibles de almacenamiento de energía. Todavía hay mucho sin embargo, que permanece desconocido sobre ellos.

Dos estudios del laboratorio de Judy Cha, Carol and Douglas Melamed Associate Professor of Mechanical Engineering &Materials Science y miembro del Yale West Campus Energy Sciences Institute, responda algunas preguntas cruciales sobre estos materiales. Ambos estudios fueron financiados con subvenciones de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., y han sido publicados en Materiales electrónicos avanzados.

En un documento, Cha y su equipo de investigadores, en colaboración con los profesores de química de Yale Nilay Hazari y Hailiang Wang, midió experimentalmente los efectos de dopaje precisos de moléculas pequeñas en materiales 2-D, un primer paso hacia la adaptación de moléculas para modular las propiedades eléctricas de los materiales 2-D. En el proceso de hacerlo, también lograron una concentración de dopaje muy alta.

Dopaje:agregar impurezas como boro o fósforo al silicio, por ejemplo, es esencial para desarrollar semiconductores. Permite ajustar las densidades de los portadores (el número de electrones y otros portadores de carga) para producir un dispositivo funcional. Métodos de dopaje convencionales, sin embargo, tienden a consumir demasiada energía y son potencialmente dañinos para funcionar bien con materiales 2-D.

En lugar de, porque los materiales 2-D son prácticamente todos de superficie, los investigadores pueden esparcir pequeñas moléculas conocidas como donantes orgánicos de electrones (OED) sobre las superficies, y activar los materiales 2-D, es decir, crear funcionalización de la superficie. Gracias a la química orgánica, el método es notablemente eficaz. También amplía enormemente la elección del material que se utiliza. Para este estudio, Cha utilizó disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ).

Sin embargo, para optimizar aún más estos materiales, los investigadores necesitan un mayor nivel de precisión. Necesitan saber cuántos electrones cada molécula del OED dona al material 2-D, y cuántas moléculas se necesitan en total.

"Al hacerlo, podemos avanzar y diseñar correctamente, saber cómo ajustar las moléculas y luego aumentar las densidades de los portadores, "Cha dijo.

Para hacer esta calibración, Cha y su equipo utilizaron microscopía de fuerza atómica en el Imaging Core en el West Campus de Yale. Por su material, lograron una eficiencia de dopaje de aproximadamente un electrón por molécula, lo que les permitió demostrar el nivel de dopaje más alto jamás alcanzado en MoS2. Esto fue posible solo gracias a las mediciones precisas que se realizaron.

"Ahora que conocemos el poder antidopaje, ya no estamos en el espacio oscuro de no saber donde estamos, ", dijo." Antes, podríamos drogarnos, pero no saber qué tan efectivo es ese dopaje. Ahora tenemos algunas densidades de electrones objetivo que queremos lograr y sentimos que sabemos cómo llegar ".

En un segundo artículo, El equipo de Cha analizó los efectos de la tensión mecánica en el pedido de litio en baterías de iones de litio.

Las baterías de iones de litio comerciales actuales utilizan grafito como ánodo. Cuando se inserta litio en los espacios entre las capas de grafeno que componen el grafito, los espacios deben expandirse para dejar espacio para los átomos de litio.

"Así que preguntamos '¿Qué pasa si detienes esta expansión?'", Dijo Cha. "Descubrimos que el esfuerzo local afecta el orden de los iones de litio. Los iones de litio efectivamente se ralentizan".

Cuando hay una tensión de energía, el litio no puede moverse tan libremente como antes, y se requiere más energía para forzar el litio a su configuración preferida.

Calculando los efectos exactos de la energía de deformación, El equipo de investigación de Cha pudo demostrar con precisión cuánto se ralentizan los átomos de litio.

El estudio tiene implicaciones más amplias, particularmente si el campo se aleja de las baterías de litio en favor de las fabricadas con otros materiales más fácilmente disponibles, como sodio o magnesio, que también se puede utilizar para baterías recargables.

"El sodio y el magnesio son mucho más grandes, por lo que la brecha debe expandirse mucho más en comparación con el litio, por lo que los efectos de la tensión serán mucho más dramáticos, ", dijo. Los experimentos del estudio proporcionan una comprensión similar de los efectos que la tensión mecánica podría tener en estos otros materiales.

Los investigadores de ARO dijeron que los estudios de Cha serán muy útiles para hacer avanzar su propio trabajo.

"Los resultados obtenidos en estos dos estudios relacionados con nuevos materiales bidimensionales son de gran importancia para desarrollar futuras aplicaciones avanzadas del Ejército en detección y almacenamiento de energía, "dijo el Dr. Pani Varanasi, jefe de sucursal, ARO.