Los Nuevos Nanocables De MoS2 Podrían Apuntar Hacia La Electrónica Del Futuro Y Las Células Solares

Nuevos nanocables podrían apuntar hacia la electrónica del futuro y las células solares

Un ligero desajuste entre las estructuras hexagonales de disulfuro de molibdeno y diselenuro de tungsteno crea una tensión que puede liberarse mediante la formación de una “dislocación 5 | 7”, en la que dos hexágonos colapsan para formar un pentágono y un heptágono. Las reacciones con el disulfuro de molibdeno en el ambiente hacen que la dislocación se adentre más en el diselenuro de tungsteno, atrayendo un nanoalambre de disulfuro de molibdeno detrás de él.

Los “materiales bidimensionales” (materiales depositados en capas que tienen solo unos pocos átomos de espesor) son prometedores tanto para la electrónica de alto rendimiento como para la electrónica transparente y flexible que podría colocarse en capas sobre superficies físicas para hacer que la computación sea ubicua.

El material 2-D más conocido es grafeno , que es una forma de carbono, pero recientemente los investigadores han estado investigando otros materiales 2-D, como el disulfuro de molibdeno, que tienen sus propias y distintas ventajas.

Sin embargo, producir componentes electrónicos útiles requiere la integración de múltiples materiales 2-D en el mismo plano, lo cual es un desafío difícil. En 2015, investigadores de la Universidad King Abdullah en Arabia Saudita desarrollaron una técnica para depositar disulfuro de molibdeno (MoS 2 ) junto al diselenuro de tungsteno (WSe 2 ), con una unión muy limpia entre los dos materiales. Luego, con una variación de la técnica, los investigadores de la Universidad de Cornell descubrieron que podían inducir alambres largos y rectos de MoS , de solo unos pocos átomos de diámetro, para que se extendieran hacia el WSe 2 , mientras conservaban la unión limpia.

Los investigadores se pusieron en contacto con Markus Buehler, profesor de ingeniería de McAfee en MIT del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, que se especializa en modelos de propagación de grietas a nivel atómico, para ver si su grupo podría ayudar a explicar este extraño fenómeno.

En el último número de  Nature Materials , los investigadores de King Abdullah, Cornell y MIT se unen con colegas de la Academia Sinica, la academia de investigación nacional de Taiwán y la Universidad Tecnológica de Texas para describir tanto el método de deposición de material como el mecanismo subyacente a la formación del MoS. 2  nanocables, que los investigadores del MIT pudieron modelar computacionalmente.

“La fabricación de nuevos materiales 2-D sigue siendo un desafío”, dice Buehler. “El descubrimiento de mecanismos mediante los cuales se pueden crear ciertas estructuras de materiales deseadas es clave para mover estos materiales hacia aplicaciones. En este proceso, el trabajo conjunto de simulación y experimentación es fundamental para avanzar, especialmente utilizando modelos de materiales a nivel molecular que permitan nuevas direcciones de diseño ”.

Cableado

La capacidad de crear  canales MoS 2 largos y delgados en WSe 2  podría tener varias aplicaciones, dicen los investigadores.

“Basándose en las propiedades eléctricas y ópticas [de los materiales], la gente está considerando usar MoS 2  y WSe 2  para células solares o para la división del agua basada en la luz solar”, dice Gang Seob Jung, estudiante graduado del MIT en ingeniería civil y ambiental. y coautor del nuevo artículo. “La mayoría de las cosas interesantes ocurren en la interfaz. Cuando no tiene solo una interfaz, si hay muchas interfaces de nanocables, podría mejorar la eficiencia de una celda solar, incluso si es bastante aleatoria “.

Pero la explicación teórica del mecanismo molecular que subyace a la formación de los nanocables también genera la esperanza de que se pueda controlar su formación, para permitir el ensamblaje de átomo -componentes electrónicos de escala.

“Los materiales bidimensionales, uno de los candidatos más prometedores para la electrónica del futuro, necesitan en última instancia superar a los dispositivos basados ​​en silicio, que ya han alcanzado un tamaño de unos pocos nanómetros”, dice Yimo Han, estudiante de posgrado en química de Cornell y primer autor de el papel. “Los materiales bidimensionales son los más delgados en la dirección vertical, pero aún abarcan un área bastante grande en las dimensiones laterales. Hicimos los canales más delgados sin dislocaciones en materiales 2-D, lo que es un gran paso hacia los dispositivos electrónicos subnanométricos con materiales 2-D “.

Propagación de polígonos

En un cristal 2-D, tanto MoS 2  como WSe 2  se organizan naturalmente en hexágonos en los que los elementos constituyentes (molibdeno y azufre o tungsteno y selenio) se alternan. Juntos, estos hexágonos producen un patrón de panal.

La técnica de fabricación de los investigadores de Cornell conserva este patrón de panal en la unión entre los materiales, una hazaña poco común y muy útil para aplicaciones electrónicas. Su técnica utiliza la deposición de vapor químico, en la que un sustrato, en este caso, el zafiro, se expone a gases que transportan sustancias químicas que reaccionan para producir los materiales deseados.

 Sin embargo, los tamaños naturales de los hexágonos MoS 2  y WSe 2 son ligeramente diferentes, por lo que su integración ejerce presión sobre ambos cristales, particularmente cerca de su unión. Si un par de hexágonos WSe 2 justo en la  unión MoS 2 se convierte en un hexágono emparejado con un heptágono (un polígono de siete lados), libera la tensión.

Esta llamada dislocación 5 | 7 crea un sitio en el que una partícula de MoS 2 puede adherirse. La reacción resultante inserta un átomo de molibdeno en el pentágono, produciendo un hexágono y rompe el heptágono. Los átomos de azufre se unen al heptágono para formar otra dislocación de 5 | 7. A medida que este proceso se repite, la dislocación 5 | 7 se adentra más en el  territorio de WSe 2 , con un nanoalambre que se extiende detrás de él. El patrón en el que la tensión sobre los hexágonos no coincidentes se relaja y se repite asegura que la dislocación progrese a lo largo de una línea recta.

La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación Naval y el Departamento de Defensa.

Publicación: Yimo Han, et al., “Canales subnanométricos incrustados en materiales bidimensionales”, Nature Materials, 2017; doi: 10.1038 / nmat5038

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