Ejemplo de estructuras ensambladas robóticamente:(a) 25 capas de MoS2, (b) superred de MoS2 y WS2, (c) superred de MoS2 y WSe2, (d) 4 capas de WS2 rotado, (e) "tablero de ajedrez" de 16 capas " de MoS2, (f) sólido combinatorio de MoS2 y WSe2. Crédito:Mannix et al.
Los cristales 2D de van der Waals, una clase de materiales que exhiben fuertes enlaces covalentes en el plano e interacciones débiles entre capas, se han convertido recientemente en el foco de numerosos estudios de investigación debido a su plétora de propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas únicas. Curiosamente, cuando se ensambla un apilamiento vertical híbrido de diferentes láminas de cristales de van der Waals, adquiere nuevas propiedades ausentes en cualquiera de sus capas constituyentes.
Recientemente, investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad de Cornell y la Universidad de Michigan han estado explorando una nueva técnica robótica para ensamblar estructuras complejas de van der Waals para que sus propiedades híbridas puedan estudiarse de manera más eficiente. En un artículo recientemente publicado en Nature Nanotechnology , el equipo introdujo un método automatizado robóticamente para el ensamblaje 4D de sólidos de van der Waals, basándose en técnicas para la síntesis de materiales 2D a escala de obleas y el apilamiento limpio de materiales al vacío introducidos en sus trabajos anteriores.
"Si bien las técnicas que desarrollamos en el pasado nos permitieron apilar capas de materiales 2D de ~ un centímetro cuadrado, fue difícil crear estructuras con diseños intrincados en el plano resueltos en micras", Andrew Ye, uno de los autores principales del estudio. estudio, le dijo a Phys.org. "En última instancia, queríamos una técnica que nos permitiera aprovechar el material a escala de oblea y la limpieza del apilamiento al vacío en el contexto de la fabricación de estructuras con sofisticación geométrica a escala micrométrica. Nuestro nuevo método nos permite hacer eso". /P>
Actualmente, muchas heteroestructuras compuestas por materiales 2D se construyen utilizando escamas 2D exfoliadas. Sin embargo, estos copos pueden tener formas muy aleatorias, por lo que la geometría de las estructuras ensambladas resultantes puede parecer algo "desordenada".
"Al contrario de estas técnicas, nuestro método recientemente desarrollado nos permite fabricar estructuras con geometrías deliberadas", explicó Ye. "Esto se debe a que comenzamos con una oblea de material, luego lo modelamos limpiamente en matrices de unidades discretas 'pixeladas'. Estos píxeles se convierten en los bloques de construcción para las estructuras complejas ensambladas".
Para ensamblar las estructuras de van der Waals, Ye y sus colegas utilizaron un instrumento que construyeron a medida, compuesto por una cámara de alto vacío con (X, Y, Z y θ ) actuadores que tienen un sello de polímero cuidadosamente diseñado. La cámara de vacío garantiza que los materiales en su interior permanezcan impecables durante los procesos de fabricación.
Representación de una fábrica robótica que ensambla estructuras cristalinas complejas a partir de bloques de construcción de píxeles. Crédito:Representación proporcionada por Andrew Ye.
Los actuadores de cuatro ejes permiten que el instrumento controle los movimientos del sello de polímero con altos niveles de precisión. Finalmente, el sello de polímero se puede usar para recoger metódicamente píxeles de material de un chip y colocarlos suavemente en otro.
"Debido a que nuestro proceso está altamente automatizado, podemos hacer funcionar nuestra máquina sin el control de un operador y ensamblar estructuras a aproximadamente 30 capas por hora", explicó Ye. "Esto es un orden de magnitud más rápido de lo que se podía hacer antes".
El artículo reciente presenta un paradigma nuevo y valioso que se puede utilizar para fabricar heteroestructuras complejas de van der Waals, a partir de materiales sintetizados a escala de obleas. Este nuevo y ventajoso método podría ayudar a avanzar en el ensamblaje de heteroestructuras basadas en materiales 2D, yendo más allá de las técnicas de laboratorio existentes y de pequeña escala.
"En el contexto de la investigación académica, mostramos que esta técnica podría usarse para estudiar rápidamente permutaciones de diferentes materiales dentro de una sola estructura (como para explorar nuevos fenómenos ópticos o eléctricos) y para estudiar las propiedades de multicapa θ -materiales bidimensionales monocristalinos retorcidos, que son de interés para la comunidad de física de la materia condensada", dijo Ye.
En el futuro, el método de ensamblaje introducido por este equipo de investigadores podría utilizarse para fabricar electrónica basada en materiales 2D a gran escala. Si bien las técnicas de laboratorio existentes generalmente solo se pueden usar para fabricar de manera confiable heteroestructuras que tienen un tamaño de unas pocas micras, el método propuesto por Ye y sus colegas podría permitir la fabricación a gran escala de sólidos de van der Waals complejos de 100 micras. .
"Ahora estamos planeando desarrollar aún más el uso de electrodos en el proceso de apilamiento robótico", agregó Ye. "Además, hay muchas propiedades físicas interesantes en θ multicapa -materiales bidimensionales monocristalinos retorcidos en los que nos gustaría profundizar". + Explore más
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