Un equipo dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizó un proceso simple para implantar átomos con precisión en las capas superiores de cristales ultrafinos, produciendo estructuras de dos lados con diferentes composiciones químicas. Los materiales resultantes, conocidos como estructuras Janusdespués del dios romano de dos caras, puede resultar útil para desarrollar tecnologías de energía e información.
"Estamos desplazando y reemplazando solo los átomos superiores en una capa de solo tres átomos de espesor, y cuando terminamos, tenemos una hermosa monocapa Janus donde todos los átomos en la parte superior son selenio, con tungsteno en elmedio y azufre en la parte inferior ", dijo David Geohegan de ORNL, autor principal del estudio, que se publica en ACS Nano , un diario de la American Chemical Society. "Esta es la primera vez que los cristales Janus 2D se fabrican mediante un proceso tan simple"
Yu-Chuan Lin, un ex becario posdoctoral de ORNL que dirigió el estudio, agregó: "Las monocapas de Janus son materiales interesantes porque tienen un momento dipolar permanente en forma 2D, lo que les permite separar la carga para aplicaciones que van desde la energía fotovoltaica hasta la cuánticainformación. Con esta técnica sencilla, podemos colocar diferentes átomos en la parte superior o inferior de diferentes capas para explorar una variedad de otras estructuras de dos caras ".
Este estudio probó materiales 2D llamados dichoslcogenuros de metales de transición, o TMD, que son valorados por sus propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas. Ajustar sus composiciones puede mejorar sus capacidades para separar la carga, catalizar reacciones químicas o convertir energía mecánica en energía eléctrica y viceversa.viceversa
Una sola capa TMD está hecha de una capa de átomos de metal de transición, como tungsteno o molibdeno, intercalados entre capas de átomos de calcógeno, como azufre o selenio. Una monocapa de disulfuro de molibdeno, por ejemplo, presenta átomos de molibdeno entre capas de azufreátomos, estructuralmente similar a una galleta sándwich con un centro cremoso entre dos obleas de chocolate. Reemplazar los átomos de azufre de un lado con átomos de selenio produce una monocapa Janus, similar a cambiar una de las obleas de chocolate por una de vainilla.
Antes de este estudio, convertir una monocapa TMD en una estructura de dos caras era más una hazaña teórica que un logro experimental real. En los numerosos artículos científicos sobre monocapas Janus publicados desde 2017, 60 informaron predicciones teóricas y solo dos describieron experimentos para sintetizarellos, según Lin. Esto refleja la dificultad de hacer monocapas de Janus debido a las importantes barreras energéticas que impiden su crecimiento mediante métodos típicos.
En 2015, el grupo ORNL descubrió que la deposición pulsada con láser podría convertir el diselenuro de molibdeno en disulfuro de molibdeno. En el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias de DOE en ORNL, la deposición pulsada con láser es una técnica crítica para desarrollar materiales cuánticos.
"Especulamos que al controlar la energía cinética de los átomos, podríamos implantarlos en una monocapa, pero nunca pensamos que podríamos lograr un control tan exquisito", dijo Geohegan. "Solo con el modelado computacional atomístico y la microscopía electrónica en ORNL fuimos nosotroscapaz de entender cómo implantar solo una fracción de una monocapa, lo cual es sorprendente "
El método utiliza un láser pulsado para vaporizar un objetivo sólido en un plasma caliente, que se expande desde el objetivo hacia un sustrato. Este estudio usó un objetivo de selenio para producir un plasma similar a un haz de racimos de dos a nueve átomos de selenio, quefueron dirigidos a golpear cristales de monocapa de disulfuro de tungsteno precrecidos.
La clave del éxito en la creación de monocapas de dos caras es bombardear los cristales con una cantidad precisa de energía. Tirar una bala a una puerta, por ejemplo, y rebota en la superficie. Pero dispara a la puerta y la bala atraviesa la superficie.Implantar racimos de selenio solo en la parte superior de la monocapa es como disparar a una puerta y hacer que la bala se detenga en su superficie.
"No es fácil sintonizar sus balas", dijo Geohegan. Los grupos de selenio más rápidos, con energías de 42 voltios de electrones eV por átomo, atravesaron la monocapa; debían ser controlados lentamente para implantarse en la capa superior.
"Lo nuevo de este documento es que estamos usando energías tan bajas", dijo Lin. "La gente nunca exploró el régimen por debajo de 10 eV por átomo porque las fuentes de iones comerciales solo bajan a 50 eV en el mejor de los casos y no le permitenelija los átomos que le gustaría usar. Sin embargo, la deposición por láser pulsado nos permite elegir los átomos y explorar este rango de energía con bastante facilidad ".
La clave para ajustar la energía cinética, dijo Lin, es reducir de forma controlada los racimos de selenio agregando gas argón en una cámara controlada por presión. Limitar la energía cinética restringe la penetración de capas atómicamente delgadas a profundidades específicas. Inyectar un pulso deLos átomos se agrupan a baja energía y se aglomeran temporalmente y desplazan a los átomos en una región, causando defectos locales y desorden en la red cristalina. "El cristal expulsa los átomos adicionales para curarse y se recristaliza en una red ordenada", explicó Geohegan. Repitiendo esta implantación yEl proceso de curación una y otra vez puede aumentar la fracción de selenio en la capa superior al 100% para completar la formación de una monocapa Janus de alta calidad.
Implantar y recristalizar de forma controlable materiales 2D en este régimen de baja energía cinética es un nuevo camino para fabricar materiales cuánticos 2D. "Las estructuras Janus se pueden hacer en pocos minutos a las bajas temperaturas que se requieren para la integración electrónica de semiconductores", dijo Lin, allanando el camino para la fabricación de la línea de producción. A continuación, los investigadores quieren intentar hacer monocapas de Janus en sustratos flexibles útiles en la producción en masa, como los plásticos.
Para demostrar que habían logrado una estructura de Janus, Chenze Liu y Gerd Duscher, ambos de la Universidad de Tennessee, Knoxville, y Matthew Chisholm de ORNL usaron microscopía electrónica de alta resolución para examinar un cristal inclinado para identificar qué átomos estaban en elcapa superior selenio versus la capa inferior azufre.
Sin embargo, entender cómo el proceso reemplazó los átomos de azufre con átomos de selenio más grandes, una hazaña energéticamente difícil, fue un desafío. Mina Yoon de ORNL usó supercomputadoras en la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL,calcular la dinámica energética de esta batalla cuesta arriba desde la teoría usando los primeros principios.
Además, los científicos necesitaban comprender cómo la energía se transfería de los grupos a las redes para crear defectos locales. Con las simulaciones de dinámica molecular, Eva Zarkadoula de ORNL mostró grupos de átomos de selenio que chocan con la monocapa a diferentes energías y rebotan, chocan a través de ellao implante en él, de acuerdo con los resultados experimentales.
Para confirmar aún más la estructura de Janus, los investigadores de ORNL probaron que las estructuras tenían características predichas calculando sus modos de vibración y realizando experimentos de espectroscopía Raman y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X.
Para comprender que el penacho estaba hecho de racimos, los científicos utilizaron una combinación de espectroscopía óptica y espectrometría de masas para medir masas y velocidades moleculares. En conjunto, la teoría y el experimento indicaron que 3 a 5 eV por átomo era la energía óptima para la implantación precisa paraformar estructuras de Janus.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :