Un equipo de investigación dirigido por científicos e ingenieros de la UCLA ha desarrollado un método para hacer nuevos tipos de "superredes" artificiales: materiales compuestos de capas alternas de láminas "bidimensionales" ultrafinas, que son solo uno o unos pocos átomosA diferencia de las superredes actuales de última generación, en las que las capas alternas tienen estructuras atómicas similares y, por lo tanto, propiedades electrónicas similares, estas capas alternas pueden tener estructuras, propiedades y funciones radicalmente diferentes, algo que no estaba disponible anteriormente.
Por ejemplo, mientras una capa de este nuevo tipo de superredes puede permitir un flujo rápido de electrones a través de ella, el otro tipo de capa puede actuar como un aislante. Este diseño limita las propiedades electrónicas y ópticas a capas activas individuales, y evitaque interfieran con otras capas aislantes.
Dichos superredes pueden formar la base de nuevas y mejoradas clases de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos. Las aplicaciones incluyen semiconductores súper rápidos y ultraeficientes para transistores en computadoras y dispositivos inteligentes, y LED y láseres avanzados.
En comparación con el enfoque convencional de ensamblaje capa por capa o de crecimiento utilizado actualmente para crear superredes 2D, el nuevo proceso dirigido por UCLA para fabricar superredes a partir de materiales 2D es mucho más rápido y más eficiente. Lo más importante, el nuevo método produce fácilmente superredescon decenas, cientos o incluso miles de capas alternas, lo que aún no es posible con otros enfoques.
Esta nueva clase de superredes alterna las láminas de cristal atómico 2D que se entrelazan con moléculas de diferentes formas y tamaños. En efecto, esta capa molecular se convierte en la segunda "lámina" porque se mantiene en su lugar por las fuerzas "van der Waals", débilesfuerzas electrostáticas para mantener las moléculas neutras "unidas" entre sí. Estas nuevas superredes se denominan "superredes moleculares de cristal atómico monocapa".
El estudio, publicado en Naturaleza , fue dirigido por Xiangfeng Duan, profesor de química y bioquímica de la UCLA, y Yu Huang, profesor de ciencia e ingeniería de los materiales de la UCLA Samueli School of Engineering.
"Las superredes semiconductoras tradicionales generalmente solo pueden estar hechas de materiales con una simetría de red muy similar, normalmente con estructuras electrónicas bastante similares", dijo Huang. "Por primera vez, hemos creado estructuras de superredes estables con capas radicalmente diferentes, pero casi perfectasarreglos atómico-moleculares dentro de cada capa. Esta nueva clase de estructuras de superredes tiene propiedades electrónicas personalizables para posibles aplicaciones tecnológicas y estudios científicos adicionales "
Un método actual para construir una superrejilla es apilar manualmente las capas ultrafinas una encima de la otra. Pero esto requiere mucha mano de obra. Además, dado que las hojas en forma de escamas son frágiles, lleva mucho tiempo construirlas porquemuchas hojas se romperán durante el proceso de colocación. El otro método es hacer crecer una nueva capa encima de la otra, usando un proceso llamado "deposición química de vapor". Pero dado que eso significa diferentes condiciones, como calor, presión o ambientes químicos,son necesarios para hacer crecer cada capa, el proceso podría resultar en alterar o romper la capa debajo. Este método también requiere mucha mano de obra con tasas de rendimiento bajas.
El nuevo método para crear superredes moleculares de cristal atómico monocapa utiliza un proceso llamado "intercalación electroquímica", en el que se aplica un voltaje negativo. Esto inyecta electrones cargados negativamente en el material 2D. Luego, esto atrae moléculas de amonio cargadas positivamente en los espaciosentre las capas atómicas. Esas moléculas de amonio se ensamblan automáticamente en nuevas capas en la estructura cristalina ordenada, creando una superrejilla.
"Piensa en un material bidimensional como una pila de cartas de juego", dijo Duan. "Luego imagina que podemos hacer que una gran pila de cuentas de plástico cercanas se inserten, en perfecto orden, intercalando entre cada carta. Esa es laidea análoga, pero con un cristal de material 2D y moléculas de amonio "
Los investigadores primero demostraron la nueva técnica usando fósforo negro como material de cristal atómico 2D base. Usando el voltaje negativo, los iones de amonio cargados positivamente fueron atraídos al material base y se insertaron entre las capas de fósforo atómico en capas ".
Después de ese éxito, el equipo insertó diferentes tipos de moléculas de amonio con varios tamaños y simetrías en una serie de materiales 2D para crear una amplia clase de superredes. Descubrieron que podían adaptar las estructuras de las superredes moleculares de cristal atómico monocapa resultantes,que tenía una amplia gama de propiedades ópticas y electrónicas deseables. "Los materiales resultantes podrían ser útiles para hacer transistores más rápidos que consuman menos energía, o para crear dispositivos eficientes de emisión de luz", dijo Duan.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería de Ciencias Aplicadas Henry Samueli de UCLA . Original escrito por Matthew Chin. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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