Los materiales bidimensionales son esenciales para desarrollar nuevos dispositivos electrónicos ultracompactos, pero producir materiales 2D sin defectos es un desafío. Sin embargo, El descubrimiento de nuevos tipos de defectos en estos materiales 2D puede dar una idea de cómo crear materiales sin tales imperfecciones. según un grupo de investigadores de Penn State.

"Los materiales 2D son materiales nuevos e interesantes para la electrónica, y porque son tan delgados, hacen posible encoger dispositivos a tamaños muy pequeños, "dijo Danielle Reifsnyder Hickey, Profesor asistente de investigación de Penn State en ciencia e ingeniería de materiales. "Esto es fundamental para que los dispositivos electrónicos sean más potentes para que puedan manejar más datos. Sin embargo, es un gran desafío cultivar materiales 2D perfectos en áreas lo suficientemente grandes como para poder hacer grandes conjuntos de dispositivos de alta calidad ".

Reifsnyder Hickey y el equipo de investigadores de Penn State han descubierto nuevos tipos de defectos que proporcionan pistas sobre una forma de crear materiales 2D sin defectos. El estudio apareció recientemente en Nano letras .

"Encontramos nuevos defectos que están en la escala de Angstrom, a una décima parte de un nanómetro, y pudimos correlacionar la estructura atómica a escalas muy grandes, a varias micras, "dijo Nasim Alem, Profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de Penn State y autor correspondiente del estudio.

El equipo estudió defectos en películas monocapa de disulfuro de tungsteno cultivadas por el grupo de investigación de Joan Redwing, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, Penn State. El disulfuro de tungsteno pertenece a una clase de cristales 2D conocidos como dicalcogenuros de metales de transición, que son cristales de tres átomos de espesor que tienen propiedades que los hacen ideales para el desarrollo de la electrónica del futuro.

"Las monocapas de material 2D tienen propiedades diferentes a las de los cristales a granel, ", Dijo Reifsnyder Hickey." Por ejemplo, tienen espacios de banda directos y, por lo tanto, se pueden utilizar como materiales de transistores muy pequeños, y su simetría de cristal permite nuevos tipos de dispositivos basados ​​en mayores grados de libertad en relación con sus contrapartes a granel ".

Una banda prohibida directa es una característica ideal para excitar un electrón a un estado de energía conductora para permitir el flujo de electricidad. Tecnología de semiconductores, por ejemplo, depende de la manipulación de la carga electrónica de esta manera. Recientemente, Los grados de libertad de giro y valle también se han mostrado prometedores en materiales 2D y pueden manipularse para habilitar nuevos tipos de dispositivos. Por ejemplo, orientar múltiples giros en un material puede conducir al magnetismo, y la distribución de electrones entre diferentes estados locales de energía mínima y máxima (valles) que poseen la misma energía pero ocurren con diferentes valores de momento puede permitir nuevas formas de procesar y almacenar información. Una clave para desbloquear el potencial de estas propiedades es el cultivo de películas sin defectos, que solo se puede lograr mediante la identificación y comprensión de los defectos atómicos, como se logró en este trabajo.

Los defectos que descubrió el equipo se conocen como límites de grano de traslación, que ocurren en la interfaz entre dos cristalitos que tienen la misma orientación pero un desplazamiento de traslación. Típicamente, los límites de los granos conectan granos con orientaciones diferentes y pueden afectar las propiedades de los materiales, como la conductividad térmica y eléctrica, disminuyendo su valor para la electrónica. Para investigar los inusuales límites de grano traslacionales, el equipo utilizó una combinación de imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido y una simulación de campo de fuerza reactiva ReaxFF. ReaxFF fue desarrollado por Adri van Duin, un distinguido profesor de ingeniería mecánica de Penn State que también participó en el estudio.

La investigación encontró que los límites de grano traslacionales identificados existen como imperfecciones sutiles pero generalizadas en las películas monocapa.

"Mediante un enfoque sinérgico, pudimos explicar nuestros hallazgos experimentales mediante simulaciones y descubrir el mecanismo de crecimiento que conduce a dicha microestructura, "Alem dijo." Este es un paso importante, porque al aprender la física subyacente del crecimiento y la formación de defectos, podemos aprender a modificarlos y controlarlos, y esto tendrá un efecto profundo en las propiedades electrónicas del cristal ".

Mejorar el material conduciría a una mejor electrónica, según Reifsnyder Hickey.

"Esta investigación descubrió experimentalmente las estructuras y utilizó la teoría y la simulación para correlacionar su formación con las condiciones de crecimiento, "Reifsnyder Hickey dijo." Ahora, nos gustaría implementar lo que hemos aprendido, de modo que estas compensaciones en los granos se pueden eliminar para formar películas verdaderamente monocristalinas lo suficientemente grandes para una excelente electrónica. También nos gustaría explorar las propiedades de estos y otros defectos atómicos relacionados ".

Ser capaz de producir productos electrónicos mejorados basados ​​en películas de monocapa de disulfuro de tungsteno con defectos mínimos es una buena noticia para una sociedad cada vez más visual. según Reifsnyder Hickey.

"Hace un par de décadas, era inaudito ver un video en un teléfono, "Reifsnyder Hickey dijo." Pero ahora, consumimos mucha información visualmente, especialmente con videos, incluyendo noticias, comunicación y entretenimiento. Debido a que la electrónica se ha vuelto tan poderosa, somos capaces de llevar fácilmente en nuestros bolsillos los dispositivos que lo permiten. Nuestros hallazgos podrían conducir a una nueva generación de tales dispositivos ".

Otros investigadores de Penn State involucrados en el estudio incluyen a Nadire Nayir, Mikhail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian y Vincent H. Crespi.