Por lo general, los materiales 2D de solo un átomo de espesor exhiben propiedades altamente deseables para tecnologías avanzadas, como flexibilidad, superconductividad y más. Hechos a partir de la transición cuidadosa de componentes individuales de gas o vapor a sólidos cristalinos, dichos materiales y los mecanismos por los cuales se imbuyen de tales características siguen siendo un misterio.

Ahora, a través de un método novedoso de monitoreo y análisis, los investigadores dirigidos por Toshiaki Kato en la Universidad de Tohoku han revelado un mecanismo crítico en el desarrollo de dicalcogenuro de metal de transición (TMD) monocapa 2D. Publicaron su enfoque y hallazgos el 15 de noviembre en Scientific Reports .

"TMD se encuentra entre los materiales en capas más conocidos", dijo el autor del artículo Toshiaki Kato, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Tohoku, y señaló que la adición de sales permite grandes capas individuales del material. "Es necesario mejorar la calidad de TMD para realizar futuros dispositivos eléctricos flexibles y transparentes, como sensores, células solares y emisores de luz".

TMD se desarrolla vaporizando un polvo de óxido metálico y añadiendo sales. Los enfoques convencionales mantienen altas temperaturas, obligando a las moléculas del vapor de sal de óxido metálico a reorganizarse directamente en un sólido cristalino. Este reordenamiento de moléculas se conoce como nucleación y crece hasta convertirse en la monocapa TMD. Sin embargo, la reducción de los puntos de fusión y ebullición del óxido metálico mejora esta transición al permitir que las moléculas vaporizadas supersaturen su entorno y produzcan una fase líquida antes de organizarse en un sólido.

"La sobresaturación del óxido de metal en la fase de vapor promueve la creación de precursores en fase líquida, conocidos como el charco de precursores, que promueve el crecimiento de vapor-líquido-sólido sobre el crecimiento convencional de vapor-sólido", dijo Kato, señalando que la tasa de crecimiento de vapor -El TMD líquido-sólido es al menos dos órdenes de magnitud mayor que el TMD vapor-sólido. "A pesar de este progreso, la dinámica crítica de la fase de nucleación aún no se ha dilucidado para el crecimiento asistido por sal; lograr esto es crucial tanto para aplicaciones fundamentales como industriales".

Para comprender mejor la nucleación de TMD vapor-líquido-sólido, los investigadores establecieron un sistema de monitoreo de imágenes de cómo los productos químicos de vapor se depositaron como sólidos en la síntesis de TMD.

"En este estudio, realizamos la visualización directa de la transición de fase de precursores líquidos a TMD sólidos al monitorear la deposición de vapor químico y el análisis de imágenes automatizado", dijo Kato. "A través de este enfoque, encontramos un nuevo mecanismo de nucleación".

En el crecimiento de vapor-sólido, las moléculas del vapor se reorganizan directamente en el sólido. Los investigadores descubrieron que, en el crecimiento vapor-líquido-sólido, las moléculas pasan por un proceso de nucleación de dos pasos:el vapor se transforma en gotitas líquidas, que forman grupos estables pero cambiantes. A medida que cambia la temperatura, los grupos de moléculas forman los sólidos cristalinos.

"Tal comprensión detallada de la dinámica de nucleación de TMD puede ser útil para lograr un control perfecto de la estructura de los TMD, lo que sería útil para futuras aplicaciones industriales", dijo Kato. "Nuestro método inventado para monitorear la deposición de vapor químico y el análisis de imágenes automatizado también podría aplicarse a otros nanomateriales para comprender más profundamente sus mecanismos de nucleación y crecimiento".

A continuación, los investigadores planean explotar el mecanismo de nucleación recientemente revelado para sintetizar TMD de ultra alta calidad. + Explora más

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