El apilamiento de capas de materiales semiconductores delgados en nanómetros en diferentes ángulos es un nuevo enfoque para diseñar la próxima generación de transistores y células solares de eficiencia energética. Los átomos en cada capa están dispuestos en matrices hexagonales. Cuando dos capas se apilan y giran,los átomos de una capa se superponen con los de la otra capa y pueden formar un número infinito de patrones superpuestos, como los patrones de Moiré que resultan cuando dos pantallas se superponen y una se gira sobre la otra. Los cálculos teóricos predicen excelentes propiedades electrónicas y ópticaspara algunos patrones de apilamiento, pero prácticamente, ¿cómo se pueden hacer y caracterizar estos patrones?
Recientemente, un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizó las vibraciones entre dos capas para descifrar sus patrones de apilamiento. El equipo empleó un método llamado espectroscopía Raman de baja frecuencia para medir cómo vibran las capas con respecto a cada unootros y compararon las frecuencias de las vibraciones medidas con sus valores teóricamente predichos. Su estudio proporciona una plataforma para diseñar materiales bidimensionales 2D con propiedades ópticas y electrónicas que dependen en gran medida de las configuraciones de apilamiento. ACS Nano , una revista de la American Chemical Society.
"La espectroscopía Raman de baja frecuencia, en combinación con el modelado de primeros principios, ofrece un enfoque rápido y fácil para revelar configuraciones de apilamiento complejas en las bicapas retorcidas de un semiconductor prometedor, sin depender de otras técnicas experimentales costosas y que consumen mucho tiempo".dijo el coautor principal Liangbo Liang, miembro de Wigner en ORNL. "Somos los primeros en mostrar que los espectros Raman de baja frecuencia pueden usarse como huellas digitales para caracterizar el apilamiento relativo de la capa en materiales 2D semiconductores".
En la dispersión Raman, un método óptico para sondear vibraciones atómicas, un material dispersa la luz monocromática de un láser. Mientras que la espectroscopía Raman convencional puede sondear más de aproximadamente 3 billones de vibraciones atómicas por segundo, la espectroscopía Raman de baja frecuencia detecta vibraciones que son un ordende magnitud más lenta. La técnica de baja frecuencia es sensible a las fuerzas de atracción débiles entre las capas, llamada acoplamiento de van der Waals. Puede proporcionar información crucial sobre el grosor y el apilamiento de la capa, aspectos que rigen las propiedades fundamentales de los materiales 2D.
"Este trabajo combina síntesis y procesamiento de materiales 2D de última generación, su caracterización espectroscópica única e interpretación de datos utilizando la teoría de los primeros principios", dijo el coautor Alex Puretzky. "Espectroscopía Raman de alta resolución que puedesondear modos de baja frecuencia requiere instrumentación especializada, y solo unos pocos lugares en todo el mundo tienen esa capacidad junto con herramientas avanzadas de síntesis y caracterización, y experiencia en teoría y modelado computacional. El Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos en ORNL está entre ellos ".
La deposición química de vapor, ampliamente utilizada para sintetizar materiales 2D como el grafeno, se utilizó para hacer monocapas de cristal perfectamente triangulares de diselenuro de molibdeno de solo tres átomos de espesor. Las moléculas de materia prima de óxido de molibdeno y azufre se hicieron reaccionar en un gas que fluye dentro de un horno de alta temperaturapara formar los cristales triangulares en sustratos de silicio.
"Numerosos parámetros deben ajustarse adecuadamente para sintetizar cristales 2D triangulares grandes con éxito", dijo Puretzky. "Luego, quitar los cristales con cuidado y apilarlos con precisión en diferentes orientaciones es un gran desafío".
Continuó, "La forma triangular precisa y equilátera de los cristales sintetizados y transferidos nos permitió medir los ángulos de giro con una alta precisión utilizando imágenes de microscopía de fuerza atómica y óptica estándar, que fue un factor clave en nuestros experimentos".
Los aspectos teóricos y computacionales también fueron un desafío. "La espectroscopía Raman se basa en gran medida en la teoría para la interpretación y la asignación de los espectros Raman observados, especialmente para los nuevos materiales que nunca antes se habían medido", dijo Puretzky.
El estudio reveló patrones en las bicapas apiladas que dependen en gran medida del ángulo de torsión. Sin embargo, algunos ángulos de torsión específicos mostraron parches que se repiten periódicamente con la misma orientación de apilamiento ". Estos patrones únicos pueden proporcionar una nueva plataforma para aplicaciones optoelectrónicas de estos materiales", Dijo Puretzky.
Los hallazgos del equipo también mostraron efectos fascinantes de las vibraciones entre las capas. A medida que aparecían diferentes patrones de apilamiento cuando las capas se desplazaban, se producían separaciones variables entre las capas en algunos ángulos de giro específicos. Los investigadores planean medidas y modelos adicionales para diferentes configuraciones de apilamiento paraComprenda mejor cómo estas desintegraciones vibratorias pueden alterar las propiedades térmicas de estos materiales, conocimiento que podría afectar las aplicaciones en la disipación de calor y la conversión de energía termoeléctrica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Original escrito por Dawn Levy. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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