El equivalente nanoscópico de apilar una baraja de cartas (capas de materiales de unos pocos átomos de espesor uno encima del otro) se ha convertido en el pasatiempo favorito de los científicos de materiales e ingenieros eléctricos de todo el mundo.

Así como las cartas pueden diferir según el palo y el valor, las propiedades de esos materiales 2D atómicamente delgados también pueden variar:electrónicamente, magnéticamente, ópticamente o de muchas otras maneras. Y al igual que combinar las cartas correctas puede generar manos valiosas, las combinaciones correctas de materiales 2D pueden generar resultados tecnológicamente valiosos.

Alexei Gruverman, Alex Sinitskii y sus colegas de la Universidad de Nebraska–Lincoln ahora han demostrado que un material 2D en particular, que ya se consideraba una carta con figuras, en realidad se clasifica como un as en la manga.

Ese material es disulfuro de molibdeno, o MoS₂ . Junto con socios de Luxemburgo, China y Francia, los investigadores de Husker han demostrado que MoS₂ posee una propiedad teorizada desde hace mucho tiempo que podría ayudar a las computadoras, teléfonos y otros dispositivos microelectrónicos a ahorrar energía y sus estados eléctricos exactos, incluso después de apagarse.

MoS₂ La promesa de ahorro de energía y del estado viene por cortesía de una propiedad preciada pero poco común conocida como ferroelectricidad. La separación vertical y la disposición de las cargas negativas frente a las positivas en los materiales ferroeléctricos se pueden invertir instantáneamente con solo aplicar algo de voltaje. Esos estados opuestos alineados o polarizados se pueden leer o almacenar como los 1 y 0 de los datos binarios, y los estados permanecen incluso cuando se corta la fuente de alimentación.

Esa ventaja de configurarlo y olvidarlo se ve agravada por el hecho de que el voltaje puede cambiar la polarización y codificar un 1 o un 0 respectivo, mientras consume mucha menos energía que los campos magnéticos que se usan a menudo para codificar datos digitales. En conjunto, esos beneficios han posicionado a los materiales ferroeléctricos como un actor destacado en un futuro aún más dependiente de la microelectrónica.

Las simulaciones respaldadas por la teoría habían sugerido que MoS₂ era un material así. Sin embargo, al igual que con otros materiales 2D, probarlo había resultado endiabladamente difícil. Pero al pinchar escamas de disulfuro de molibdeno con una aguja nanoscópica que excitaba simultáneamente el material con un campo eléctrico, el equipo dirigido por Husker logró confirmar que MoS₂ es, de hecho, ferroeléctrico. Los estados polarizados del material se mantuvieron durante semanas, dijeron los investigadores, y se observaron con el MoS₂. copos que se asientan sobre cualquiera de varios otros materiales.

"La ferroelectricidad en materiales bidimensionales es, en general, un fenómeno nuevo", dijo Sinitskii, profesor de química en Nebraska. "Fue descubierto recientemente, y los ejemplos de sistemas bidimensionales que presentan polarización ferroeléctrica aún son muy limitados".

La ferroelectricidad por sí sola, entonces, sería suficiente para hacer saltar al bisulfuro de molibdeno en la clasificación de los materiales 2D. Sin embargo, MoS₂ presenta otras propiedades que atraen a los ingenieros encargados de construir mejores dispositivos. Es relativamente fácil de cultivar, primero a granel, luego pelando capas atómicamente delgadas con la ayuda de cinta adhesiva. A diferencia de muchos de sus homólogos 2D, resiste cuando se expone al aire y juega bien con los materiales ricos en oxígeno que se encuentran en muchos componentes electrónicos.

Más allá de todo eso, es un material semiconductor como el silicio, la elección de larga data para los circuitos integrados o microchips, lo que significa que su flujo de corriente eléctrica puede activarse y detenerse con un mínimo esfuerzo. Eso establece MoS₂ aparte de la mayoría de los ferroeléctricos, dijo Gruverman.

A raíz del estudio del equipo, que apareció en la revista npj 2D Materials and Applications , MoS₂ ahora se une a un puñado de materiales que cuentan con una conductividad alta pero controlable y una polarización fácilmente intercambiable, dijeron los investigadores.

"Siempre existió este esfuerzo por combinar las propiedades semiconductoras y ferroeléctricas en un solo material, porque eso lo convertiría en un material muy poderoso, un santo grial, por así decirlo, para la industria de los semiconductores", dijo Gruverman, profesor de física y tecnología de la Universidad Charles Mach. astronomía.

'La estructura que observamos claramente no tenía precedentes'

Los átomos de un material pueden tomar diferentes configuraciones que generan diferentes propiedades. El ejemplo más famoso del fenómeno podría ser el carbono, que puede ir desde un trozo de carbón negro y blando hasta un diamante transparente casi indestructible.

El disulfuro de molibdeno, que consiste en un átomo de molibdeno por cada dos de azufre, no es una excepción. En su estado más estable, conocido como 2H, el material actúa como un semiconductor pero en realidad carece de ferroelectricidad. Pero incitar al MoS₂ con un punto minúsculo desplazó algunos de los átomos de azufre hacia arriba, según descubrió el equipo, alterando las distancias entre esos átomos y el molibdeno. Eso, a su vez, alteró la distribución de las nubes de electrones de los átomos, transformando finalmente el 2H semiconductor en una fase ferroeléctrica más conductora conocida como 1T".

Para cambiar la polarización de MoS₂ , los investigadores explotaron el llamado efecto flexoeléctrico:un cambio en el comportamiento eléctrico de un material cuando comienza a deformarse bajo la fuerza de una tensión mecánica. Durante más de medio siglo, los físicos han sabido que cuanto más variable sea la tensión, es decir, cuanto mayores sean las disparidades en cómo se deformarán las distintas áreas de un material bajo tensión, más pronunciada será la polarización eléctrica. Los materiales más gruesos tienden a experimentar tensiones bastante uniformes, dijo Gruverman, lo que da como resultado una polarización y una utilidad limitadas para codificar datos binarios.

Un material 2D como MoS₂ —especialmente uno pinchado con las puntas más finas— es una perspectiva muy diferente, que produce una gran disparidad en las deformaciones y, en consecuencia, un efecto flexoeléctrico masivo.

"En materiales tan delgados como MoS₂ ", este efecto flexoeléctrico es muy profundo", dijo Gruverman. "Lo importante es que este enfoque podría usarse como una herramienta muy eficaz para controlar los estados de polarización en los ferroeléctricos".

"Ahora hemos demostrado que, además del campo eléctrico, podemos usar la tensión mecánica como una forma de controlar o ajustar las propiedades electrónicas de estas heteroestructuras".

El equipo también descubrió una sorpresa que podría funcionar en MoS₂ favor de Aunque los copos que fabricaron Sinitskii y sus colegas eran prácticamente prístinos, el equipo ocasionalmente encontró señales de polarización que eran sustancialmente más débiles de lo que esperaban. Curioso, Sinitskii tuvo la idea de voltear los copos y medir las señales nuevamente, con la esperanza de obtener información sobre la tercera dimensión ultradelgada del material esencialmente 2D.

Cuando lo hicieron, los investigadores determinaron que los copos contenían capas de polarización que se alternaban aleatoriamente, algunas con cargas positivas en la parte superior y cargas negativas en la parte inferior, otras al revés.

"La estructura que observamos claramente no tenía precedentes, porque ninguna de las estructuras ferroeléctricas bidimensionales que la gente observó antes exhibió este tipo de disposición de dominios ferroeléctricos", dijo Sinitskii.

La existencia de esas capas que se alternaban al azar implicaba otra sorpresa. En algunos casos, las cargas con el mismo signo chocan entre sí (positivo con positivo o negativo con negativo) sin repelerse, como normalmente se esperaría. ¿Cómo? El equipo sospecha que la conductividad especialmente alta de 1T" MoS₂ promueve el flujo de suficientes cargas entre esas capas para evitar la repulsión. Es posible, dijo Gruverman, que las corrientes dentro de la capa puedan controlarse cambiando la polarización del MoS₂ escamas, que ofrece otra forma hiperlocalizada de codificar datos.

"Es bastante inusual tener estas capas de un material donde la polarización en una capa no se preocupa por el estado de polarización en la capa adyacente", dijo Gruverman. "Por lo general, este tipo de configuración de cabeza a cabeza y de cola a cola sería muy desfavorable. Sin embargo, parece que, aquí, estas capas son absolutamente insensibles al estado de polarización en las capas vecinas".

Pero la promesa completa del disulfuro de molibdeno solo puede revelarse, dijo Sinitskii, cuando los científicos de materiales, que ahora conocen el valor real de MoS₂ —logra jugarlo en las manos adecuadas.

"Este es un tema muy candente en este momento", dijo Sinitskii. "Hay muchas personas que realmente están barajando estas diferentes capas y apilándolas una encima de la otra. Ahora tienen otro tipo de material bidimensional que podría agregarse a esas pilas y hacerlas más diversas, más programables y, finalmente, más útil." + Explora más

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