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Nov 03, 2023

Grandes avances en la comprensión de las brechas a nanoescala

18 de agosto de 2023 Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que garantizan la credibilidad del contenido:

18 de agosto de 2023

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por Denise Yazak, Laboratorio Nacional Brookhaven

Crear materiales novedosos combinando capas con propiedades beneficiosas únicas parece un proceso bastante intuitivo: apilar los materiales y acumular los beneficios. Sin embargo, este no es siempre el caso. No todos los materiales permiten que la energía viaje a través de ellos de la misma manera, lo que hace que los beneficios de un material se produzcan a costa de otro.

Utilizando herramientas de vanguardia, los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, y el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Varsovia han creado una nueva estructura en capas con Materiales 2D que exhiben una transferencia única de energía y carga. Comprender las propiedades de sus materiales puede conducir a avances en tecnologías como las células solares y otros dispositivos optoelectrónicos. Los resultados fueron publicados en la revista Nano Letters.

Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son una clase de materiales estructurados como sándwiches con capas atómicamente delgadas. La carne de un TMD es un metal de transición, que puede formar enlaces químicos con electrones en su órbita o capa más externa, como la mayoría de los elementos, así como con la siguiente capa. Ese metal está intercalado entre dos capas de calcógenos, una categoría de elementos que contiene oxígeno, azufre y selenio.

Todos los calcógenos tienen seis electrones en su capa más externa, lo que hace que su comportamiento químico sea similar. Cada una de estas capas de material tiene solo un átomo de espesor (una millonésima parte del espesor de un mechón de cabello humano), lo que los lleva a denominarse materiales bidimensionales (2D).

"A nivel atómico, se pueden ver estas propiedades electrónicas únicas y ajustables", dijo Abdullah Al-Mahboob, científico de Brookhaven en el grupo CFN Interface Science and Catalysis. "Los TMD son como un campo de juego de la física. Estamos moviendo energía de un material a otro a nivel atómico".

Algunas propiedades nuevas comienzan a surgir de materiales a esta escala. El grafeno, por ejemplo, es la versión 2D del grafito, el material del que están hechos la mayoría de los lápices. En un experimento ganador del Premio Nobel, los científicos utilizaron un trozo de cinta adhesiva para quitar escamas de grafito y estudiar una capa de grafeno. Los investigadores descubrieron que el grafeno es increíblemente fuerte a nivel atómico: 200 veces más fuerte que el acero en relación con su peso. Además, el grafeno es un gran conductor térmico y eléctrico y tiene un espectro de absorción de luz único. Esto abrió la puerta al estudio de las formas 2D de otros materiales y sus propiedades.

Los materiales 2D son interesantes por sí solos, pero cuando se combinan, empiezan a suceder cosas sorprendentes. Cada material tiene su propio superpoder (proteger materiales del medio ambiente, controlar la transferencia de energía, absorber luz en diferentes frecuencias) y cuando los científicos comienzan a apilarlos, crean lo que se conoce como heteroestructura. Estas heteroestructuras son capaces de realizar algunas cosas extraordinarias y algún día podrían integrarse en tecnologías futuras, como componentes electrónicos más pequeños y detectores de luz más avanzados.

Si bien la exploración de estos materiales puede haber comenzado con algo tan simple como un trozo de cinta adhesiva, las herramientas utilizadas para extraer, aislar, catalogar y construir materiales 2D se han vuelto bastante avanzadas. En CFN, se ha dedicado un sistema completo al estudio de estas heteroestructuras y las técnicas utilizadas para crearlas: Quantum Material Press (QPress).

"Es difícil comparar QPress con cualquier otra cosa", dijo Suji Park, científico de Brookhaven especializado en materiales electrónicos. "Construye una estructura capa por capa, como una impresora 3D, pero las heteroestructuras 2D se construyen mediante un enfoque completamente diferente. QPress crea capas de material que tienen uno o dos átomos de espesor, las analiza, las cataloga y finalmente las ensambla. Robótica se utiliza para fabricar sistemáticamente estas capas ultrafinas para crear heteroestructuras novedosas".

QPress tiene tres módulos personalizados: el exfoliador, el catalogador y el apilador. Para crear capas 2D, los científicos utilizan el exfoliante. Similar a la técnica manual de la cinta adhesiva, el exfoliante tiene un conjunto de rodillo mecanizado que exfolia capas delgadas de cristales de origen más grandes con controles que brindan el tipo de precisión que no se puede lograr a mano.

Una vez recogidos y distribuidos, los cristales originales se presionan sobre una oblea de óxido de silicona y se retiran. Luego pasan al catalogador, un microscopio automatizado que combina varias técnicas de caracterización óptica. El catalogador utiliza el aprendizaje automático (ML) para identificar fragmentos de interés que luego se catalogan en una base de datos. Actualmente, el ML se entrena únicamente con datos de grafeno, pero los investigadores seguirán añadiendo diferentes tipos de materiales 2D. Los científicos pueden utilizar esta base de datos para encontrar las escamas de material que necesitan para su investigación.

Cuando los materiales necesarios estén disponibles, los científicos podrán utilizar el apilador para fabricar heteroestructuras a partir de ellos. Utilizando robótica de alta precisión, toman las escamas de muestra y las organizan en el orden necesario, en cualquier ángulo necesario, y transfieren sustratos para crear la heteroestructura final, que se puede almacenar a largo plazo en una biblioteca de muestras para su uso posterior.

El clima se controla para garantizar la calidad de las muestras y el proceso de fabricación, desde la exfoliación hasta la construcción de heteroestructuras, se lleva a cabo en un ambiente de gas inerte en una caja de guantes. Las escamas exfoliadas y las muestras apiladas se almacenan al vacío en las bibliotecas de muestras del grupo QPress.

Además, las herramientas de evaporación por haz de electrones, recocido y plasma de oxígeno están disponibles en el lado de vacío del grupo. Se utiliza robótica para pasar muestras de un área de QPress a la siguiente. Sin embargo, una vez que se fabrican estas nuevas heteroestructuras, ¿qué hacen realmente y cómo lo hacen?

Después de que el equipo de CFN fabricara estos fascinantes nuevos materiales con QPress, los integraron con un conjunto de herramientas avanzadas de microscopía y espectroscopía que les permitieron explorar propiedades optoelectrónicas sin exponer las muestras al aire, lo que degradaría las estructuras del material. Algunas de las delicadas y exóticas propiedades cuánticas de los materiales 2D necesitan criotemperaturas ultrabajas para ser detectadas, de tan solo unos pocos kelvin. De lo contrario, se perturban ante la más mínima cantidad de calor o cualquier sustancia química presente en el aire.

Esta plataforma incluirá microscopios avanzados, espectrómetros de rayos X y láseres ultrarrápidos que podrán investigar el mundo cuántico a temperaturas criogénicas.

Utilizando las capacidades avanzadas de estos recursos, el equipo pudo obtener una imagen más detallada de cómo funciona la transferencia de energía a larga distancia en los TMD.

La energía quiere moverse a través de los materiales, de la misma manera que una persona quiere subir una escalera, pero necesita un lugar al que agarrarse. Las bandas prohibidas pueden considerarse como el espacio entre los peldaños de una escalera. Cuanto mayor es la brecha, más difícil y lento será escalar. Si la brecha es demasiado grande, es posible que ni siquiera sea posible terminar de ascender. Utilizando materiales que ya tienen grandes propiedades conductoras, este equipo especializado de científicos pudo apilarlos de una manera que aprovechó su estructura para crear vías que transfieran la carga de manera más eficiente.

Uno de los TMD que creó el equipo fue el disulfuro de molibdeno (MoS2), que en estudios anteriores demostró tener una fuerte fotoluminiscencia. La fotoluminiscencia es el fenómeno que hace que ciertos materiales brillen en la oscuridad después de ser expuestos a la luz. Cuando un material absorbe luz con más energía que esa banda prohibida, puede emitir luz con una energía de fotón igual a la energía de la banda prohibida.

Si un segundo material con una banda prohibida de energía igual o menor se acerca al primero, tan cerca como un subnanómetro o unos pocos nanómetros, la energía puede transferirse de forma no radiativa del primer material al segundo. El segundo material puede entonces emitir luz con una energía fotónica igual a su banda prohibida de energía.

Con una capa aislante hecha de nitruro de boro hexagonal (hBN), que impide la conductividad electrónica, los científicos observaron un tipo inusual de transferencia de energía a larga distancia entre este TMD y uno hecho de diseleniuro de tungsteno (WSe2), que conduce la electricidad de manera muy eficiente. El proceso de transferencia de energía se produjo desde los materiales de banda prohibida de menor a mayor, lo que no es típico en las heteroestructuras TMD, donde la transferencia generalmente ocurre desde los materiales 2D de banda prohibida de mayor a menor.

El grosor de la capa intermedia jugó un papel importante, pero también pareció desafiar las expectativas. "Nos sorprendió el comportamiento de este material", afirmó Al-Mahboob. "La interacción entre las dos capas aumenta junto con el aumento de la distancia hasta cierto punto, y luego comienza a disminuir. Variables como el espaciado, la temperatura y el ángulo desempeñaron un papel importante".

Al comprender mejor cómo estos materiales absorben y emiten energía a esta escala, los científicos pueden aplicar estas propiedades a nuevos tipos de tecnologías y mejorar las actuales. Estos podrían incluir células solares que absorben la luz de manera más efectiva y mantienen una mejor carga, fotosensores con mayor precisión y componentes electrónicos que pueden reducirse a tamaños aún más pequeños para dispositivos más compactos.

Más información: Arka Karmakar et al, Intercambio excitónico alto dependiente de la excitación mediante transferencia de energía entre capas desde material 2D con banda prohibida de menor a mayor, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01127

Información de la revista:Nano letras

Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven