Una nueva generación de productos electrónicos y optoelectrónicos pronto será posible mediante el control de los ángulos de giro en un tipo particular de material bicapa 2D utilizado en estos dispositivos, fortaleciendo la carga eléctrica intrínseca que existe entre las dos capas, según investigadores de Penn State, Universidad de Harvard, Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Rutgers.

Los investigadores trabajaron con materiales 2D regulares de dicalcogenuros de metales de transición (TMD) y Janus TMD, una clase de materiales 2D que lleva el nombre del dios romano de la dualidad, Janus. Estos materiales bicapa 2D tienen una interacción entre capas conocida como acoplamiento entre capas de van der Waals que conduce a una transferencia de carga, un proceso importante para la funcionalidad de los dispositivos electrónicos. La transferencia de carga para ambos lados de los TMD convencionales es la misma debido a que cada lado tiene el mismo tipo de átomos. En el caso de los materiales Janus TMD, los átomos en cada lado del material son de diferentes tipos, lo que lleva a una transferencia de carga variada cuando cada lado está en contacto con otros materiales 2D.

"En nuestro estudio, los dos tipos de átomos en cada lado del material Janus TMD eran azufre y selenio", dijo Shengxi Huang, profesor asistente de ingeniería eléctrica e ingeniería biomédica en Penn State y coautor del estudio publicado recientemente en ACS Nano . "Debido a que son diferentes, puede haber una separación de carga o un desequilibrio de carga para el lado superior e inferior. Crea un campo eléctrico intrínseco dirigido verticalmente que es muy diferente de los materiales 2D convencionales".

En investigaciones anteriores, Huang y los otros investigadores trabajaron para comprender si este campo eléctrico intrínseco afectaría a los materiales 2D adyacentes cuando están en capas. Descubrieron que el acoplamiento es más fuerte en los materiales 2D de Janus que en los materiales 2D tradicionales, debido a la carga asimétrica causada por los diferentes tipos de átomos en cada lado.

Para el trabajo actual, apilaron manualmente dos tipos de capas de material, Janus TMD y materiales 2D normales, lo que provocó ángulos aleatorios según cómo se apilaran. Pero cuando ajustaron los ángulos de cómo se apilaba cada capa en grados específicos, hicieron un hallazgo interesante. Si los materiales en forma de triángulo se tuercen para apilarlos en un ángulo de cero grados, cuando están perfectamente alineados, o en un ángulo de 60 grados, cuando son exactamente lo contrario de la alineación perfecta, descubrieron que los acoplamientos son mucho más fuertes que en ángulos aleatorios. Además, también encontraron que el acoplamiento entre capas es más fuerte cuando el Janus TMD se coloca en capas sobre el TMD convencional con el mismo tipo de elemento.

"El hallazgo principal fue que para esta misma interfaz azufre/azufre, el acoplamiento entre capas es mucho más fuerte que la interfaz azufre/selenio", dijo Huang. "Y esto se debe a la distribución de carga relacionada con la dirección del dipolo en estos átomos. Esto significa que puede haber una transferencia de carga efectiva entre las dos capas. Según nuestro cálculo, la separación, es decir, la distancia entre las capas intermedias, es mucho menor. , por lo que muestra que hay un acoplamiento más fuerte".

Para descubrir esto, Huang y el equipo utilizaron espectroscopia Raman de baja frecuencia. Proyectaron luz sobre las dos capas de materiales 2D, lo que provocó que los átomos de los materiales vibraran. Si la vibración es más rápida y de mayor frecuencia, eso indica que el acoplamiento entre capas es fuerte.

"Puedes imaginar esto usando un resorte que conecta dos bolas", dijo Huang. "Si el resorte vibra muy rápido, eso significa que este resorte es fuerte".

El otro método que utilizó el equipo durante su investigación fue la espectroscopia de fotoluminiscencia. Cuando dos capas de material 2D intercambian cargas entre sí, la intensidad de emisión de luz en uno de los materiales disminuirá. Esto se debe a que hay algunas cargas que se transfieren a la otra capa y no hay carga suficiente para que se produzca la fotoluminiscencia en la capa de "envío".

"Usamos esto como una medida del grado de transferencia de carga entre las dos capas", dijo Kunyan Zhang, candidato a doctorado en ingeniería eléctrica en Penn State y coautor principal del estudio. "Estos resultados que obtuvimos de la emisión de luz son consistentes con nuestra espectroscopia Raman de baja frecuencia. Donde vemos un acoplamiento más fuerte de la vibración atómica, también vemos una caída mayor en la emisión de luz".

Estos hallazgos son importantes para el avance de la electrónica y la optoelectrónica. Controlar el acoplamiento entre capas e inducir diferentes comportamientos ópticos y/o electrónicos tiene una gran importancia para el rendimiento de muchos dispositivos optoelectrónicos y electrónicos.

"Estas nuevas habilidades materiales pueden afectar muchas aplicaciones, que van desde la optoelectrónica hasta los dispositivos electrónicos y las habilidades catalíticas en dispositivos electroquímicos como las baterías", dijo Huang. "Estos dispositivos están por todas partes en nuestra vida cotidiana, como la iluminación, la electrónica, los electrodomésticos y las baterías".

El trabajo continuo en este ámbito de investigación incluirá cómo el acoplamiento entre capas afecta a otros tipos de materiales. Además, sus hallazgos pueden ser de utilidad para otros investigadores en el futuro.

"Las personas ajenas a nuestro campo podrían beneficiarse de nuestro estudio", dijo Zhang. "Ajustar este tipo de acoplamiento interior utilizando la interfaz con ángulos de giro no se había estudiado antes. Esos hallazgos pueden ser sorprendentes para otros en el campo 2D cuyo trabajo no involucre a los TMD de Janus". + Explora más

Adaptación de materiales 2D para mejorar dispositivos electrónicos y ópticos