Los materiales bidimensionales de los cristales estratificados de van der Waals vdW son muy prometedores para dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y cuánticos, pero su fabricación / fabricación se ha visto limitada por la falta de técnicas de alto rendimiento para exfoliar monocapas de un solo cristal contamaño suficiente y alta calidad. Los investigadores de la Universidad de Columbia informan hoy en ciencia que han inventado un nuevo método, utilizando películas de oro ultraplano para desmontar cristales individuales vdW capa por capa en monocapas con un rendimiento cercano a la unidad y con dimensiones limitadas solo por los tamaños de cristal a granel.
Las monocapas generadas con esta técnica tienen la misma alta calidad que las creadas por la exfoliación convencional de "cinta adhesiva", pero son aproximadamente un millón de veces más grandes. Las monocapas se pueden ensamblar en estructuras artificiales macroscópicas, con propiedades que no se crean fácilmente en los cultivos convencionales.cristales a granel. Por ejemplo, las capas de disulfuro de molibdeno se pueden alinear entre sí para que la pila resultante carezca de simetría de espejo y como resultado demuestre una respuesta óptica fuertemente no lineal, donde absorbe luz roja y emite luz ultravioleta, un proceso conocido como segundogeneración armónica.
"Este enfoque nos lleva un paso más cerca de la producción en masa de monocapas macroscópicas y materiales artificiales similares a granel con propiedades controlables", dice el co-PI James Hone, profesor de ingeniería mecánica Wang Fong-Jen en Columbia Engineering.
El descubrimiento hace 15 años de que las láminas atómicas únicas de carbono, el grafeno, podían separarse fácilmente de los cristales a granel de grafito y estudiarse como materiales 2D perfectos fue reconocido con el premio Nobel de física de 2010. Desde entonces, los investigadores de todo el mundo han estudiadopropiedades y aplicaciones de una amplia variedad de materiales 2D, y aprendió a combinar estas capas en heteroestructuras apiladas que son esencialmente materiales híbridos nuevos. El método original de cinta adhesiva desarrollado para el grafeno, que utiliza un polímero adhesivo para separar cristales, es fácilimplementar, pero no está bien controlado y produce hojas 2D de tamaño limitado, generalmente decenas de micrómetros de ancho o el tamaño de una sección transversal de un solo mechón de cabello.
Un desafío importante para el campo y la fabricación futura es cómo escalar este proceso a tamaños mucho más grandes en un proceso determinista que produce láminas 2D bajo demanda. El enfoque dominante para ampliar la producción de materiales 2D ha sido el crecimiento de los delgadospelículas, que han tenido grandes éxitos pero aún enfrentan desafíos en la calidad del material, la reproducibilidad y las temperaturas requeridas. Otros grupos de investigación fueron pioneros en el uso de oro para exfoliar grandes láminas 2D, pero han utilizado enfoques que dejan las láminas 2D en sustratos de oro oimplican pasos intermedios de evaporación de átomos de oro calientes que dañan los materiales 2D.
"En nuestro estudio, nos inspiramos en la industria de los semiconductores, que hace que las obleas de silicio ultrapuras se usen para chips de computadora al hacer crecer grandes cristales individuales y cortarlos en discos delgados", dice el principal PI Xiaoyang Zhu, profesor de Nanociencia de la familia Howarden el departamento de química de Columbia ". Nuestro enfoque lo hace a escala atómica: comenzamos con un cristal de alta pureza de un material en capas y despegamos una capa a la vez, logrando láminas 2D de alta pureza que tienen las mismas dimensiones que elcristal padre "
Los investigadores siguieron el método de cinta adhesiva galardonada con el Premio Nobel y desarrollaron una cinta de oro ultraplana en lugar de la cinta adhesiva de polímero. La superficie dorada atómicamente plana se adhiere fuerte y uniformemente a la superficie cristalina de un material 2D y desarma su capapor capa. Las capas son del mismo tamaño y dimensión que el cristal original, proporcionando un grado de control mucho más allá de lo que se puede lograr con cinta adhesiva.
"El método de la cinta dorada es lo suficientemente suave como para que los copos resultantes tengan la misma calidad que los realizados con la técnica de cinta adhesiva", dice el académico postdoctoral Fang Liu, autor principal del artículo. "Y lo que es especialmente emocionante es que podemosapile estas obleas atómicamente delgadas en cualquier orden y orientación deseados para generar una clase completamente nueva de materiales artificiales ".
El trabajo se llevó a cabo en el Centro para la Asamblea de Precisión de Sólidos Superatómicos y Superatómicos, un Centro de Investigación de Ciencia e Ingeniería de Materiales financiado por la National Science Foundation y dirigido por Hone. El proyecto de investigación utilizó instalaciones compartidas operadas por la Iniciativa Nano de Columbia.
Motivado por los recientes y emocionantes avances en "twistronics", el equipo ahora está explorando agregar una pequeña rotación entre capas en estos materiales artificiales. Al hacerlo, esperan lograr en una escala macro el control notable sobre las propiedades cuánticas como la superconductividad querecientemente se ha demostrado en escamas de tamaño micrométrico. También están trabajando para ampliar su nueva técnica en un método general para todo tipo de materiales en capas, y analizando la potencial automatización robótica para la fabricación y comercialización a gran escala.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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