Los pasos muy pequeños hacen una gran diferencia para los investigadores que desean crear obleas grandes de material bidimensional.
Los pasos del tamaño de un átomo en un sustrato proporcionan los medios para que los cristales 2D que crecen en un horno de vapor químico se unan en un rango perfecto. Los científicos han observado recientemente este fenómeno, y ahora un grupo de la Universidad de Rice tiene una idea de por qué funciona.
El teórico de materiales de arroz Boris Yakobson y el investigador Ksenia Bets dirigieron la construcción de simulaciones que muestran pasos del tamaño de un átomo en una superficie de crecimiento, o sustrato, tienen la notable capacidad de mantener alineadas las islas de cristal monocapa a medida que crecen.
Si las condiciones son correctas, las islas se unen en un cristal más grande sin los límites de grano tan característicos de los materiales 2D como el grafeno cultivado mediante deposición química de vapor CVD. Eso preserva su perfección y características electrónicas, que difieren según el material.
La teoría de Rice aparece en la revista American Chemical Society Nano letras .
La investigación se centró en el nitruro de boro hexagonal h-BN, también conocido como grafeno blanco, un cristal que a menudo se cultiva a través de CVD. Los cristales se nuclean en varios lugares en un material de sustrato perfectamente plano y no necesariamente alineados entre sí.
Sin embargo, experimentos recientes han demostrado que el crecimiento en sustratos vecinales, superficies que parecen planas pero en realidad tienen pasos dispersos y atómicamente pequeños, puede alinear los cristales y ayudarlos a fusionarse en una estructura única y uniforme, como se informó en arXiv. Acoautor de ese informe y líder del equipo coreano, Feng Ding, es alumno del laboratorio de Yakobson y profesor adjunto actual en Rice.
Pero los experimentadores no muestran cómo funciona, ya que, según Yakobson, se sabe que los pasos serpentean y están algo desalineados.
"Me gusta comparar el mecanismo con un 'filtro digital', aquí ofrecido por la naturaleza discreta de las redes atómicas", dijo. "La curva analógica que, con sus pendientes, describe un paso serpenteante es 'muestreada y digitalizada'por la misma cuadrícula de filas atómicas constituyentes, rompiendo la curva en segmentos rectos de la terraza 1D. La pendiente no ayuda, pero no duele. Sorprendentemente, la combinación puede ser buena; como una casa bien diseñada en una colina, está derecho
"La teoría es simple, aunque tomó mucho trabajo duro calcular y confirmar la coincidencia de complementariedad entre la plantilla metálica y el h-BN, casi como para los pares AGTC en cadenas de ADN", dijo Yakobson.
No estaba claro por qué los cristales se fusionaron en uno tan bien hasta que las simulaciones de Bets, con la ayuda del coautor y estudiante graduado de Rice, Nitant Gupta, mostraron cómo las "islas" h-BN permanecen alineadas mientras se nuclean a lo largo de pasos visiblemente curvos.
"Una superficie vecina tiene escalones ligeramente desalineados dentro del área plana", dijo Bets. "Tiene grandes terrazas, pero en ocasiones habrá escalones de un átomo de altura. El truco de los experimentadores fue alinear estas vecinalespasos en una dirección "
En la deposición química de vapor, un gas caliente de los átomos que formarán el material fluye hacia la cámara, donde se depositan en el sustrato y los cristales nucleados. Los átomos de h-BN en una superficie vecina prefieren asentarse en el hueco de la cámara.pasos.
"Tienen este bonito rincón donde los átomos tendrán más vecinos, lo que los hace más felices", dijo Bets. "Intentan alinearse con los escalones y crecer desde allí".
"Pero desde el punto de vista de la física, es imposible tener un paso perfecto, atómicamente plano", dijo. "Tarde o temprano, habrá pequeñas hendiduras o torceduras. Descubrimos que a escala atómica, estas torcedurasen los pasos no evite que h-BN se alinee si sus dimensiones son complementarias de la estructura h-BN. De hecho, ayudan a garantizar la coorientación de las islas ".
Debido a que los pasos que modeló el laboratorio de Rice tienen una profundidad de 1,27 angstroms un angstrom es una milmillonésima parte de un metro, los cristales en crecimiento tienen pocos problemas para superar el límite. "Esos pasos son más pequeños que la distancia de enlace entre los átomos"."Si fueran más grandes, como dos angstroms o más, sería más una barrera natural, por lo que los parámetros deben ajustarse cuidadosamente".
De acuerdo con las simulaciones, dos islas en crecimiento que se acercan entre sí se unen sin problemas. De manera similar, las grietas que aparecen a lo largo de los escalones se curan fácilmente porque los enlaces entre los átomos son lo suficientemente fuertes como para superar la pequeña distancia.
Según los investigadores, vale la pena seguir cualquier camino hacia el crecimiento a gran escala de los materiales 2D para un ejército de aplicaciones. Los materiales 2D como el grafeno conductor, el h-BN aislante y los dichoslcogenuros de metales de transición semiconductores son el foco de un intenso escrutinio por parte de los investigadoresen todo el mundo. Los investigadores de Rice esperan que sus modelos teóricos señalen el camino hacia grandes cristales de muchos tipos.
El Departamento de Energía de EE. UU. DOE apoyó la investigación. Los recursos informáticos fueron provistos por el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, respaldado por la Oficina de Ciencia del DOE, y el grupo DAVinCI apoyado por la Fundación Nacional de Ciencia en Rice, administrado por elCentro de Investigación Informática y adquirido en asociación con el Instituto Ken Kennedy de Tecnología de la Información de Rice.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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