Los estudios científicos que describen los procesos más básicos suelen tener el mayor impacto a largo plazo. Un nuevo trabajo de los ingenieros de la Universidad de Rice podría ser uno de esos, y es un gas, gas, gas para nanomateriales.

El teórico de los materiales de arroz Boris Yakobson, El estudiante graduado Jincheng Lei y el alumno Yu Xie de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice han revelado cómo un popular material 2-D, disulfuro de molibdeno (MoS ₂ ), parpadea durante la deposición química en fase de vapor (CVD).

Saber cómo funciona el proceso brindará a los científicos e ingenieros una forma de optimizar la fabricación a granel de MoS. ₂ y otros materiales valiosos clasificados como dicalcogenuros de metales de transición (TMD), Cristales semiconductores que son buenas apuestas para encontrar un hogar en la electrónica de próxima generación.

Su estudio en la revista American Chemical Society ACS Nano se centra en MoS ₂ "prehistoria, "específicamente lo que sucede en un horno CVD una vez que todos los ingredientes sólidos están en su lugar. CVD, a menudo asociado con grafeno y nanotubos de carbono, se ha aprovechado para fabricar una variedad de materiales 2-D proporcionando precursores sólidos y catalizadores que se subliman en gas y reaccionan. La química dicta qué moléculas caen del gas y se depositan en un sustrato, como el cobre o la silicona, y ensamblar en un cristal 2-D.

El problema ha sido que una vez que se enciende el horno, es imposible ver o medir la complicada cadena de reacciones en el guiso químico en tiempo real.

"Cientos de laboratorios están cocinando estos TMD, bastante ajeno a las intrincadas transformaciones que ocurren en el horno oscuro, "dijo Yakobson, el profesor Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química. "Aquí, estamos utilizando simulaciones y análisis de química cuántica para revelar lo que hay allí, en la oscuridad, que conduce a la síntesis ".

Las teorías de Yakobson a menudo llevan a los experimentadores a hacer realidad sus predicciones. (Por ejemplo, buckyballs de boro.) Esta vez, el laboratorio de Rice determinó la trayectoria del óxido de molibdeno (MoO ₃ ) y azufre en polvo tardan en depositar una rejilla atómicamente delgada sobre una superficie.

La respuesta corta es que se necesitan tres pasos. Primero, los sólidos se subliman mediante calentamiento para cambiarlos de sólido a gas, incluyendo lo que Yakobson llamó una "hermosa" molécula de anillo, nonaóxido de trimolibdeno (Mo ₃ O ₉ ). Segundo, los gases que contienen molibdeno reaccionan con átomos de azufre a altas temperaturas, hasta 4, 040 grados Fahrenheit. Tercera, moléculas de molibdeno y azufre caen a la superficie, donde cristalizan en el entramado en forma de gatos que es característico de los TMD.

Lo que sucede en el paso intermedio fue de mayor interés para los investigadores. Las simulaciones del laboratorio mostraron que un trío de los principales reactivos en fase gaseosa son los principales sospechosos en la fabricación de MoS. ₂ :Azufre, el Mo con forma de anillo ₃ O ₉ moléculas que se forman en presencia de azufre y el posterior híbrido de MoS ₆ que forma el cristal, liberando átomos de azufre en exceso en el proceso.

Lei dijo que las simulaciones de dinámica molecular mostraron las barreras de activación que deben superarse para hacer avanzar el proceso, generalmente en picosegundos.

"En nuestra simulación de dinámica molecular, encontramos que este anillo se abre por su interacción con el azufre, que ataca al oxígeno conectado a los átomos de molibdeno, ", dijo." El anillo se convierte en una cadena, y otras interacciones con las moléculas de azufre separan esta cadena en monómeros de sulfuro de molibdeno. La parte más importante es la rotura de la cadena, que supera la barrera energética más alta ".

Darse cuenta de ello podría ayudar a los laboratorios a agilizar el proceso, Dijo Lei. "Si podemos encontrar moléculas precursoras con un solo átomo de molibdeno, no necesitaríamos superar la alta barrera de romper la cadena, " él dijo.

Yakobson dijo que el estudio podría aplicarse a otros TMD.

"Los hallazgos a menudo plantean la nanoingeniería empírica para convertirse en un esfuerzo básico guiado por la ciencia, donde los procesos se pueden predecir y optimizar, " él dijo, señalando que si bien la química se conoce generalmente desde el descubrimiento de los fullerenos TMD a principios de los años 90, La comprensión de los detalles permitirá promover el desarrollo de la síntesis 2-D.

"Solo ahora podemos 'secuenciar' la química paso a paso involucrada, ", Dijo Yakobson." Eso nos permitirá mejorar la calidad del material 2-D, y también ver qué subproductos de gas podrían ser útiles y capturados en el camino, abriendo oportunidades para la ingeniería química ".