Los investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de UConn mejoraron significativamente el rendimiento de un material semiconductor atómicamente delgado al estirarlo, un logro que podría ser beneficioso para los ingenieros que diseñan la próxima generación de electrónica flexible, dispositivos nano y sensores ópticos.
En un estudio que aparece en la revista de investigación Nano letras , el Profesor Asistente de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Connecticut, Michael Pettes, informa que una bicapa de seis átomos de espesor de diselenuro de tungsteno exhibió un aumento de 100 veces en la fotoluminiscencia cuando se sometió a tensión. El material nunca había exhibido tal fotoluminiscencia antes.
Los resultados marcan la primera vez que los científicos han podido demostrar de manera concluyente que las propiedades de los materiales atómicamente delgados pueden manipularse mecánicamente para mejorar su rendimiento, dice Pettes. Dichas capacidades podrían conducir a procesadores informáticos más rápidos y sensores más eficientes.
El proceso que los investigadores utilizaron para lograr el resultado también es significativo, ya que ofrece una nueva metodología confiable para medir el impacto de la tensión en materiales ultrafinos, algo que ha sido difícil de hacer y un obstáculo para la innovación.
"Los experimentos que involucran deformación a menudo son criticados ya que la deformación experimentada por estos materiales atómicamente delgados es difícil de determinar y a menudo se especula que es incorrecta", dice Pettes. "Nuestro estudio proporciona una nueva metodología para realizar mediciones dependientes de la deformación de materiales ultrafinos yEsto es importante porque se pronostica que la deformación ofrecerá cambios de órdenes de magnitud en las propiedades de estos materiales en muchos campos científicos diferentes ".
Los científicos han estado intrigados por el potencial de los materiales atómicamente delgados desde que los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov separaron con éxito una capa de grafeno de un átomo de espesor de una pieza de grafito en 2004. Considerado un supermaterial por su excelente resistencia, flexibilidad ycapacidad de conducir electricidad, el grafeno bidimensional transformó la industria electrónica y les valió a los investigadores un Premio Nobel.
Pero por todo lo que ofrece, el grafeno tiene sus limitaciones. Es un semiconductor deficiente porque carece de una brecha de banda de electrones en su estructura interna. Como resultado, los electrones no tienen impedimentos y fluyen rápidamente a través de él cuando el material se energiza.Los mejores materiales semiconductores, como el silicio, tienen un intervalo de banda considerable que permite activar y desactivar un flujo de electrones. Esa capacidad es vital para crear las cadenas de ceros y las que componen los códigos informáticos binarios utilizados en los transistores e integrados.circuitos
Los científicos de materiales están explorando el potencial de otros materiales bidimensionales y atómicamente delgados con la esperanza de encontrar productos superiores al grafeno y al silicio.
La ingeniería de deformación se ha discutido como una forma posible de mejorar el rendimiento de estos materiales porque su estructura ultradelgada los hace particularmente susceptibles a la flexión y el estiramiento, a diferencia de sus formas volumétricas tridimensionales más grandes. Pero probar el impacto de la deformación en los materiales solo es unpocos átomos de grosor han resultado enormemente difíciles.
En el presente estudio, Pettes y Wei Wu, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Pettes y autor principal del estudio, pudieron medir con éxito la influencia de la tensión en una sola bicapa cristalina de diselenuro de tungsteno encapsulándola primero enuna fina capa de vidrio acrílico y luego calentarlo en una cámara de gas argón la exposición al aire destruiría la muestra. Este procesamiento térmico fortaleció la adhesión del material a un sustrato de polímero, permitiendo una transferencia casi perfecta de la tensión aplicada, que tieneha sido difícil de lograr en experimentos anteriores
El grupo luego personalizó un dispositivo de doblado que les permitió aumentar cuidadosamente la tensión en el material mientras monitorizaban cómo respondía a través de un Espectrómetro Raiba Multilínea Horiba en el Centro de Harvard para sistemas a nanoescala, una instalación de usuario compartida financiada por la National Science Foundation.
Fue un momento emocionante.
"Nuestro nuevo método nos permitió aplicar alrededor de dos veces más tensión al material 2-D que cualquier estudio anterior ha informado", dice Pettes. "Esencialmente, estábamos en un nuevo territorio".
En última instancia, los investigadores descubrieron que la aplicación de niveles crecientes de tensión al material alteraba su flujo de electrones, lo que se reflejaba en el aumento de la intensidad de la fotoluminiscencia.
Trabajando con el Profesor Asistente de Ciencia e Ingeniería de Materiales de UConn, Avinash Dongare, experto en modelado por computadora, y el ex estudiante de doctorado Jin Wang, el equipo pudo demostrar que su proceso podría, en teoría, manipular la brecha de banda de tungstenodiselenide y otros materiales atómicamente delgados, lo cual es extremadamente importante para los ingenieros de diseño que buscan semiconductores y sensores más rápidos y eficientes. Manipular un semiconductor con un intervalo de banda indirecto muy cerca del punto de transición a un intervalo de banda directo podría conducir a capacidades de procesamiento extremadamente rápidas.
"Esta es la primera vez que se informa de manera concluyente el control extrínseco sobre una transición de brecha de banda de electrones indirecta a directa", dice Pettes. "Nuestros hallazgos deberían permitir a los científicos computacionales que utilizan inteligencia artificial diseñar nuevos materiales con resistencia extremadamente a la tensióno estructuras sensibles a la tensión. Eso es extremadamente importante para la próxima generación de dispositivos optoelectrónicos y nanoelectrónicos flexibles de alto rendimiento ".
Uniéndose a Pettes y Wu en la investigación había dos estudiantes universitarios: Nico Wright, estudiante de último año de la UConn, ex becario de McNair y participante en el programa Experiencias de Investigación para Estudiantes de Pregrado REU de NSF; y Danielle Leppert-Simenauer, también ex participante en el programa REU de NSFy actualmente una licenciatura en física en la Universidad de California-San Diego.
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. En Adelphi, Maryland, proporcionó películas de grafeno que se usaron para confirmar los estándares de calibración aplicados por los investigadores de la UConn para medir la tensión. El espesor a nivel atómico de la bicapa de diselenuro de tungsteno se confirmó mediante microscopía electrónica de transmisión en el MolecularFundición en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Connecticut . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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