Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú MIPT, el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo Skoltech, el Instituto Tecnológico de Materiales de Carbono Superduro y Novedoso TISNCM, la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología MISiS Rusia, yLa Universidad de Rice EE. UU. Usó simulaciones por computadora para descubrir qué tan delgada debe ser una porción de sal para que se rompa en capas similares al grafeno. De acuerdo con la simulación por computadora, derivaron la ecuación para el número de capas en un cristalque producirá películas ultrafinas con aplicaciones en nanoelectrónica. Sus hallazgos estaban en The Journal of Physical Chemistry Letters .
de 3D a 2D
El grosor monoatómico único del grafeno lo convierte en un material atractivo y útil. Su red cristalina se asemeja a los panales, ya que los enlaces entre los átomos constituyentes forman hexágonos regulares. El grafeno es una sola capa de un cristal de grafito tridimensional y sus propiedades comoasí como las propiedades de cualquier cristal 2D son radicalmente diferentes de su contraparte 3D. Desde el descubrimiento del grafeno, una gran cantidad de investigación se ha dirigido a nuevos materiales bidimensionales con propiedades intrigantes. Las películas ultrafinas tienen propiedades inusuales que podrían ser útiles paraaplicaciones como nano y microelectrónica.
Estudios teóricos anteriores sugirieron que las películas con una estructura cúbica y enlaces iónicos podrían convertirse espontáneamente en una estructura grafítica hexagonal en capas en lo que se conoce como grafitización. Para algunas sustancias, esta conversión se ha observado experimentalmente. Se predijo que la sal de roca puede contener NaClser uno de los compuestos con tendencia a la grafitización. La grafitización de compuestos cúbicos podría producir estructuras nuevas y prometedoras para aplicaciones en nanoelectrónica. Sin embargo, no se ha desarrollado ninguna teoría que explique este proceso en el caso de un compuesto cúbico arbitrario y haga predicciones sobre suconversión en capas de sal tipo grafeno.
Para que ocurra la grafitización, las capas de cristal deben reducirse a lo largo de la diagonal principal de la estructura cúbica. Esto dará como resultado que una superficie de cristal esté hecha de iones de sodio Na? Y la otra de iones de cloruro Cl ?. Es importantetenga en cuenta que los iones positivos y negativos es decir, Na? y Cl?, y no átomos neutros, ocupan los puntos reticulares de la estructura. Esto genera cargas de signos opuestos en las dos superficies. Siempre que las superficies estén alejadas de cada unootro, todas las cargas se cancelan y la losa de sal muestra una preferencia por una estructura cúbica. Sin embargo, si la película se hace lo suficientemente delgada, esto da lugar a un gran momento dipolar debido a las cargas opuestas de las dos superficies de cristal.busca deshacerse del momento dipolar, lo que aumenta la energía del sistema. Para hacer que las superficies sean neutrales a la carga, el cristal sufre una reorganización de los átomos.
Experimento vs modelo
Para estudiar cómo varían las tendencias de grafitización según el compuesto, los investigadores examinaron 16 compuestos binarios con la fórmula general AB, donde A representa uno de los cuatro metales alcalinos, litio Li, sodio Na, potasio K y rubidio Rb. Estos sonelementos altamente reactivos encontrados en el Grupo 1 de la tabla periódica. La B en la fórmula representa cualquiera de los cuatro halógenos flúor F, cloro Cl, bromo Br y yodo I. Estos elementos están en el Grupo 17 de la tabla periódica y reaccionan fácilmentecon metales alcalinos
Todos los compuestos en este estudio vienen en varias estructuras diferentes, también conocidas como redes o fases cristalinas. Si la presión atmosférica se incrementa a 300,000 veces su valor normal, otra fase B2 de NaCl representada por la porción amarilla deel diagrama se vuelve más estable, produciendo un cambio en la red cristalina. Para probar su elección de métodos y parámetros, los investigadores simularon dos redes cristalinas y calcularon la presión que corresponde a la transición de fase entre ellas. Sus predicciones coinciden con los datos experimentales.
¿Qué tan delgado debe ser?
Todos los compuestos dentro del alcance de este estudio pueden tener una fase G hexagonal, "grafítica" el rojo en el diagrama que es inestable en 3D pero se convierte en la estructura más estable para ultradelgada 2D o cuasi-2DLos investigadores identificaron la relación entre la energía de la superficie de una película y el número de capas en ella para las estructuras cúbicas y hexagonales. Graficaron esta relación trazando dos líneas con diferentes pendientes para cada uno de los compuestos estudiados.asociado con un compuesto tiene un punto común que corresponde al grosor crítico de la losa que hace que la conversión de una estructura cúbica a una hexagonal sea energéticamente favorable. Por ejemplo, se encontró que el número crítico de capas era cercano a 11 para todas las sales de sodio y entre 19y 27 para sales de litio.
Con base en estos datos, los investigadores establecieron una relación entre el número crítico de capas y dos parámetros que determinan la fuerza de los enlaces iónicos en varios compuestos. El primer parámetro indica el tamaño de un ion de un metal dado: su iónicoradio. El segundo parámetro se llama electronegatividad y es una medida de la capacidad del átomo? para atraer los electrones del elemento B. Mayor electronegatividad significa una atracción más potente de electrones por el átomo, una naturaleza iónica más pronunciada del enlace, un dipolo de superficie más grandey un espesor de losa crítico más bajo.
Y hay más
Pavel Sorokin, Dr. habil., Es jefe del Laboratorio de Simulación de Nuevos Materiales en TISNCM. Explica la importancia del estudio: "Este trabajo ya ha atraído a nuestros colegas de Israel y Japón. Si confirman nuestros hallazgos experimentalmente,este fenómeno [de grafitización] proporcionará una ruta viable para la síntesis de películas ultrafinas con aplicaciones potenciales en nanoelectrónica. '
Los científicos tienen la intención de ampliar el alcance de sus estudios mediante el examen de otros compuestos. Creen que las películas ultrafinas de diferente composición también podrían sufrir grafitización espontánea, produciendo nuevas estructuras en capas con propiedades que son aún más intrigantes.
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Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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