Por ahora se entiende que el adelgazamiento de un material a un solo átomo de espesor puede cambiar drásticamente las propiedades físicas de ese material. El grafeno, el material 2D más conocido, tiene una resistencia y conductividad eléctrica incomparables, a diferencia de su forma masiva como grafito. Los investigadores tienencomenzó a estudiar cientos de otros materiales en 2D con fines electrónicos, de detección, de diagnóstico temprano de cáncer, de desalinización de agua y de una gran cantidad de otras aplicaciones. Ahora, un equipo de investigadores de Penn State en el Departamento de Física y el Centro de dos dimensiones yLayered Materials 2DLM ha desarrollado un método óptico rápido y no destructivo para analizar defectos en materiales bidimensionales.
"En la industria de semiconductores, por ejemplo, los defectos son importantes porque puede controlar las propiedades a través de los defectos", dijo Mauricio Terrones, profesor de física, ciencia de los materiales e ingeniería y química, Penn State. "Esto se conoce como ingeniería de defectos. Industriasabe cómo controlar los defectos y qué tipos son buenos para los dispositivos "
Para comprender realmente lo que está sucediendo en un material 2D como el disulfuro de tungsteno, que tiene una capa de tungsteno de espesor atómico entre dos capas atómicas de azufre, se requeriría un microscopio electrónico de alta potencia capaz de ver átomos individuales y elagujeros, llamados vacantes, donde faltan los átomos.
"El beneficio de la microscopía electrónica de transmisión TEM es que obtienes una imagen y puedes ver directamente lo que está sucediendo; obtienes evidencia directa", dijo Bernd Kabius, científico del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State, expertoen TEM y un coautor del artículo que aparece el 28 de abril en la revista en línea Science Advances.
Según Kabius, las desventajas son una mayor posibilidad de daño al delicado material 2D, la preparación compleja requerida de la muestra y el tiempo involucrado: un día entero de tiempo del instrumento para obtener una imagen de una muestra y una semana o máspara interpretar los resultados. Por esas razones y otras, a los investigadores les gustaría combinar TEM con otro método para ver la muestra que sea más simple y más rápido.
La técnica desarrollada por Terrones y su equipo utiliza un método óptico, microscopía fluorescente, en el que se ilumina un láser de una longitud de onda específica en una muestra y los electrones excitados, empujados a un nivel de energía más alto, emiten un fotón de más tiempolongitud de onda cuando el electrón cae a un nivel de energía más bajo. La longitud de onda, o color de la luz, se puede medir mediante espectroscopía y proporciona información sobre el tipo de defecto y la ubicación en la muestra. Estos datos se muestran como picos en un gráfico, queel equipo luego se correlacionó con la confirmación visual bajo el TEM. Los cálculos teóricos también ayudaron a validar los resultados ópticos. Un paso necesario en el proceso requiere colocar la muestra en un portamuestras o etapa con temperatura controlada, y bajar la temperatura a 77 kelvin, casi200 grados C por debajo de cero. A esta temperatura, los pares de electrones que producen la fluorescencia están unidos al defecto; en el caso de este trabajo, un grupo de vacantes de azufre en la capa superior of el emparedado, y emite una señal más fuerte que las áreas prístinas del material.
"Por primera vez, hemos establecido una relación directa entre la respuesta óptica y la cantidad de defectos atómicos en materiales bidimensionales", dijo Victor Carozo, ex erudito postdoctoral en el laboratorio de Terrones y primer autor del trabajo.
Terrones agregó: "Para la industria de semiconductores, esta es una medición rápida, un método óptico no destructivo para evaluar defectos en sistemas 2D. Lo importante es que pudimos correlacionar nuestro método óptico con TEM y también con simulaciones atomísticas. Icreo que este método puede ser muy útil para establecer un protocolo para la caracterización de materiales cristalinos en 2D ".
En este contexto, el coautor Yuanxi Wang, investigador postdoctoral en 2DLM y teórico, agregó: "Nuestros cálculos muestran que los electrones atrapados por las vacantes emiten luz a longitudes de onda diferentes a la emisión de regiones libres de defectos. Regiones que emiten luza estas longitudes de onda pueden identificar fácilmente vacantes dentro de las muestras "
Y Vincent Crespi, Profesor Distinguido de Física, Ciencia de los Materiales e Ingeniería y Química, Penn State, dijo: "No solo podemos establecer una correlación empírica entre la presencia de ciertos defectos y la emisión de luz modificada, sino también identificar la razón de esa correlacióna través de cálculos de primeros principios "
Las aplicaciones de dispositivos que podrían mejorarse con este trabajo incluyen membranas con tamaños de poro selectivos para eliminar la sal del agua o para la secuenciación del ADN, la detección de gases cuando las moléculas de gas se unen a vacantes específicas y el dopaje de materiales 2D, que es la adición de átomos extrañospara mejorar las propiedades.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Investigación de Materiales de Penn State . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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