La electrónica basada en silicio se está acercando a sus limitaciones físicas y se necesitan nuevos materiales para mantenerse al día con las demandas tecnológicas actuales. Los materiales bidimensionales (2D) tienen una rica variedad de propiedades, incluidas la superconductividad y el magnetismo, y son candidatos prometedores para su uso en sistemas electrónicos, como los transistores. Sin embargo, controlar con precisión las propiedades de estos materiales es extraordinariamente difícil.
En un esfuerzo por comprender cómo y por qué las interfaces 2D adoptan las estructuras que adoptan, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un método para visualizar la reorganización inducida térmicamente de materiales 2D, átomo por átomo, de retorcidos a estructuras alineadas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM).
Observaron un mecanismo nuevo e inesperado para este proceso en el que se sembraba un nuevo grano dentro de una monocapa, cuya estructura estaba modelada por la capa adyacente. Ser capaz de controlar el giro macroscópico entre capas permite un mayor control sobre las propiedades de todo el sistema.
Esta investigación, dirigida por el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Pinshane Huang y el investigador postdoctoral Yichao Zhang, se publicó recientemente en la revista Science Advances. .
"Es muy importante cómo se alinean las interfaces de la bicapa entre sí y mediante qué mecanismo se transforman en una configuración diferente", dice Zhang. "Controla las propiedades de todo el sistema bicapa, lo que, a su vez, afecta tanto a su comportamiento a nanoescala como a su comportamiento microscópico".
La estructura y las propiedades de las multicapas 2D suelen ser muy heterogéneas y varían ampliamente entre muestras e incluso dentro de una muestra individual. Dos dispositivos con sólo unos pocos grados de torsión entre capas podrían tener un comportamiento diferente. También se sabe que los materiales 2D se reconfiguran bajo estímulos externos como el calentamiento, que ocurre durante el proceso de fabricación de dispositivos electrónicos.
"La gente suele pensar que las dos capas son como dos hojas de papel torcidas 45° entre sí. Para que las capas pasen de torcidas a alineadas, basta con rotar toda la hoja de papel", dice Zhang. "Pero lo que encontramos, en realidad, es que tiene un núcleo, un dominio alineado a nanoescala localizado, y este dominio crece cada vez más en tamaño. Dadas las condiciones correctas, este dominio alineado podría asumir todo el tamaño de la bicapa". /P>
Si bien los investigadores han especulado que esto podría suceder, no ha habido ninguna visualización directa a escala atómica que pruebe o refute la teoría. Zhang y los otros investigadores, sin embargo, pudieron rastrear directamente el movimiento de átomos individuales para ver crecer el pequeño dominio alineado. También observaron que podrían formarse regiones alineadas a temperaturas relativamente bajas, ~200 °C, en el rango de temperaturas de procesamiento típicas para dispositivos 2D.
No existen cámaras lo suficientemente pequeñas y rápidas para capturar la dinámica atómica. ¿Cómo pudo entonces el equipo visualizar este movimiento átomo por átomo? La solución es muy singular. Primero encapsularon la bicapa retorcida en grafeno, esencialmente construyendo una pequeña cámara de reacción a su alrededor, para observar la bicapa en resolución atómica mientras se calentaba. La encapsulación con grafeno ayuda a mantener los átomos de la bicapa en su lugar para que se pueda observar cualquier transformación estructural en lugar de que la red sea destruida por los electrones de alta energía del TEM.
Luego, la bicapa encapsulada se colocó en un chip que podía calentarse y enfriarse rápidamente. Para capturar la rápida dinámica atómica, la muestra se sometió a pulsos de calor de medio segundo entre 100 y 1000 °C. Después de cada pulso, el equipo observaba dónde estaban los átomos usando TEM y luego repetía el proceso.
"De hecho, se puede observar el sistema a medida que cambia, a medida que los átomos se asientan desde cualquier configuración en la que fueron colocados inicialmente, a la configuración que es energéticamente favorable, en la que quieren estar", explica Huang. "Eso puede ayudarnos a comprender tanto la estructura inicial a medida que se fabrica como cómo evoluciona con el calor".
Comprender cómo se produce la reordenación puede ayudar a ajustar la alineación interfacial a nanoescala. "Es imposible subrayar lo entusiasmada que está la gente con esa capacidad de sintonización", afirma Huang.
"El giro macroscópico entre las dos capas es un parámetro realmente importante porque a medida que giras una sobre la otra, puedes cambiar las propiedades de todo el sistema. Por ejemplo, si giras el material 2D grafeno a un ángulo específico, se convierte Para algunos materiales, si los giras, cambias la banda prohibida, lo que cambia el color de la luz que absorbe y la energía de la luz que emite. Todas esas cosas se cambian alterando la orientación de los átomos entre capas".>
Más información: Yichao Zhang et al, Imágenes átomo por átomo de transformaciones muaré en dichoslcogenuros de metales de transición 2D, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk1874
Información de la revista: Avances científicos
Proporcionado por la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois
