18 ago 2023 (Noticias de Nanowerk) La creación de materiales novedosos mediante la combinación de capas con propiedades únicas y beneficiosas parece un proceso bastante intuitivo: apilar los materiales y apilar los beneficios. Sin embargo, este no es siempre el caso. No todos los materiales permitirán que la energía viaje a través de ellos de la misma manera, lo que hace que los beneficios de un material se obtengan a costa de otro. Usando herramientas de vanguardia, los científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación de usuario del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Varsovia han creado una nueva estructura en capas con Material 2D que exhibe una transferencia única de energía y carga. Comprender sus propiedades materiales puede conducir a avances en tecnologías como las células solares y otros dispositivos optoelectrónicos. Los resultados fueron publicados en Nano Letters ("Intercambio excitónico de alto nivel dependiente de la excitación a través de la transferencia de energía entre capas de material 2D de banda prohibida inferior a superior").
La instalación de QPress en CFN. (Imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven) "Es difícil comparar el QPress con algo", dijo Suji Park, un científico del personal de Brookhaven que se especializa en materiales electrónicos. “Construye una estructura capa por capa, como una impresora 3D, pero las heteroestructuras 2D se construyen con un enfoque completamente diferente. QPress crea capas de material de uno o dos átomos de espesor, las analiza, las cataloga y finalmente las ensambla. La robótica se utiliza para fabricar sistemáticamente estas capas ultrafinas para crear nuevas heteroestructuras”. QPress tiene tres módulos personalizados: el exfoliante, el catalogador y el apilador. Para crear capas 2D, los científicos usan el exfoliante. Similar a la técnica de la cinta adhesiva manual, el exfoliador tiene un conjunto de rodillos mecanizados que exfolia capas delgadas de cristales de origen más grandes con controles que brindan el tipo de precisión que no se puede lograr a mano. Una vez recolectados y distribuidos, los cristales fuente se presionan sobre una oblea de óxido de silicona y se despegan. Luego se pasan al catalogador, un microscopio automatizado que combina varias técnicas de caracterización óptica. El catalogador utiliza el aprendizaje automático (ML) para identificar copos de interés que luego se catalogan en una base de datos. Actualmente, ML se entrena solo con datos de grafeno, pero los investigadores seguirán agregando diferentes tipos de materiales 2D. Los científicos pueden usar esta base de datos para encontrar los copos de material que necesitan para su investigación.
Cuando los materiales necesarios están disponibles, los científicos pueden usar el apilador para fabricar heteroestructuras a partir de ellos. Usando robótica de alta precisión, toman las escamas de muestra y las colocan en el orden necesario, en cualquier ángulo necesario, y transfieren sustratos para crear la heteroestructura final, que se puede almacenar a largo plazo en una biblioteca de muestras para su uso posterior. El clima se controla para garantizar la calidad de las muestras y el proceso de fabricación, desde la exfoliación hasta la construcción de heteroestructuras, se lleva a cabo en un ambiente de gas inerte en una caja de guantes. Los copos exfoliados y las muestras apiladas se almacenan al vacío, en las bibliotecas de muestras del grupo QPress. Además, las herramientas de plasma de oxígeno, recocido y evaporación de haz de electrones están disponibles en el lado de vacío del grupo. La robótica se utiliza para pasar muestras de un área del QPress a la siguiente. Sin embargo, una vez que se fabrican estas heteroestructuras novedosas, ¿qué hacen realmente y cómo lo hacen?
Después de que el equipo de CFN fabricara estos fascinantes nuevos materiales con QPress, integró los materiales con un conjunto de herramientas avanzadas de microscopía y espectroscopía que les permitieron explorar las propiedades optoelectrónicas sin exponer las muestras al aire, lo que degradaría las estructuras del material. Algunas de las propiedades cuánticas delicadas y exóticas de los materiales 2D necesitan temperaturas criogénicas ultrabajas para ser detectadas, de tan solo unos pocos Kelvin. De lo contrario, se perturban por la más mínima cantidad de calor o cualquier químico presente en el aire.
El trabajo de Al-Mahboob está financiado por el proyecto DOE Quantum Materials: Integrated Multimodal Characterization and Processing (QM-IMCP) que CFN ha comenzado a construir.
Muestras de los dicalcogenuros de metales de transición. (Imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven) La energía quiere moverse a través de los materiales, de la misma manera que una persona quiere subir una escalera, pero necesita un lugar al que agarrarse. Los bandgaps se pueden considerar como el espacio entre los peldaños de una escalera. Cuanto más grande es la brecha, más difícil y lento es escalar. Si la brecha es demasiado grande, es posible que ni siquiera sea posible terminar de subir. Usando materiales que ya tienen excelentes propiedades conductoras, este equipo especializado de científicos pudo apilarlos de una manera que aprovechó su estructura para crear vías que transfieren la carga de manera más eficiente. Uno de los TMD que creó el equipo fue el disulfuro de molibdeno (MoS2), que se demostró en estudios anteriores que tiene una fuerte fotoluminiscencia. La fotoluminiscencia es el fenómeno que hace que ciertos materiales brillen en la oscuridad después de haber sido expuestos a la luz. Cuando un material absorbe luz con más energía que esa energía de banda prohibida, puede emitir luz con energía fotónica igual a la energía de banda prohibida. Si un segundo material con una banda prohibida de energía igual o menor se acerca al primero, tan cerca como de un subnanómetro a unos pocos nanómetros, la energía puede transferirse de forma no radiativa desde el primer material al segundo. El segundo material puede entonces emitir luz con una energía fotónica igual a su banda prohibida de energía. Con una capa intermedia aislante hecha de nitruro de boro hexagonal (hBN), que evita la conductividad electrónica, los científicos observaron un tipo inusual de transferencia de energía a larga distancia entre este TMD y uno hecho de diseleniuro de tungsteno (WSe2), que conduce la electricidad de manera muy eficiente. El proceso de transferencia de energía se produjo desde los materiales de banda prohibida más baja a la más alta, lo que no es típico en las heteroestructuras TMD, donde la transferencia generalmente ocurre desde los materiales 2D de banda prohibida más alta a la más baja. El grosor de la capa intermedia jugó un papel importante, pero también pareció desafiar las expectativas. “Nos sorprendió el comportamiento de este material”, dijo Al-Mahboob. “La interacción entre las dos capas aumenta junto con el aumento de la distancia hasta cierto punto, y luego comienza a disminuir. Variables como el espacio, la temperatura y el ángulo jugaron un papel importante”. Al obtener una mejor comprensión de cómo estos materiales absorben y emiten energía a esta escala, los científicos pueden aplicar estas propiedades a nuevos tipos de tecnologías y mejorar las actuales. Estos podrían incluir células solares que absorben la luz de manera más efectiva y mantienen una mejor carga, fotosensores con mayor precisión y componentes electrónicos que pueden reducirse a tamaños aún más pequeños para dispositivos más compactos.
Materiales 2D: pequeños, pero poderosos
dicalcogenuros de metales de transición (TMD) son una clase de materiales estructurados como sándwiches con capas atómicamente delgadas. La carne de un TMD es un metal de transición, que puede formar enlaces químicos con electrones en su órbita o capa más externa, como la mayoría de los elementos, así como en la siguiente capa. Ese metal está intercalado entre dos capas de calcógenos, una categoría de elementos que contiene oxígeno, azufre y selenio. Todos los calcógenos tienen seis electrones en su capa más externa, lo que hace que su comportamiento químico sea similar. Cada una de estas capas de material tiene solo un átomo de espesor, una millonésima parte del espesor de un mechón de cabello humano, por lo que se les conoce como materiales bidimensionales (2D). “A nivel atómico, puedes ver estas propiedades electrónicas únicas y ajustables”, dijo Abdullah Al-Mahboob, científico del personal de Brookhaven en el grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaz CFN. “Los TMD son como un patio de recreo de la física. Estamos moviendo energía de un material a otro a nivel atómico”. Algunas propiedades nuevas comienzan a emerger de los materiales a esta escala. El grafeno, por ejemplo, es la versión 2D del grafito, el material del que están hechos la mayoría de los lápices. En un experimento ganador del Premio Nobel, los científicos usaron un trozo de cinta adhesiva para quitar escamas de grafito para estudiar una capa de grafeno. Los investigadores encontraron que el grafeno es increíblemente fuerte a nivel atómico: ¡200 veces más fuerte que el acero en relación con su peso! Además, el grafeno es un gran conductor térmico y eléctrico y tiene un espectro de absorción de luz único. Esto abrió la puerta al estudio de las formas 2D de otros materiales y sus propiedades. Los materiales 2D son interesantes por sí solos, pero cuando se combinan, comienzan a suceder cosas sorprendentes. Cada material tiene su propio superpoder: proteger los materiales del medio ambiente, controlar la transferencia de energía, absorber la luz en diferentes frecuencias, y cuando los científicos comienzan a apilarlos, crean lo que se conoce como heteroestructura. Estas heteroestructuras son capaces de cosas extraordinarias y algún día podrían integrarse en tecnologías futuras, como componentes electrónicos más pequeños y detectores de luz más avanzados.QPress: la primera herramienta experimental de su clase
Si bien la exploración de estos materiales puede haber comenzado con algo tan simple como un trozo de cinta adhesiva, las herramientas utilizadas para extraer, aislar, catalogar y construir materiales 2D se han vuelto bastante avanzadas. En CFN, se ha dedicado un sistema completo al estudio de estas heteroestructuras y las técnicas utilizadas para crearlas: Quantum Material Press (QPress).
La instalación de QPress en CFN. (Imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven) "Es difícil comparar el QPress con algo", dijo Suji Park, un científico del personal de Brookhaven que se especializa en materiales electrónicos. “Construye una estructura capa por capa, como una impresora 3D, pero las heteroestructuras 2D se construyen con un enfoque completamente diferente. QPress crea capas de material de uno o dos átomos de espesor, las analiza, las cataloga y finalmente las ensambla. La robótica se utiliza para fabricar sistemáticamente estas capas ultrafinas para crear nuevas heteroestructuras”. QPress tiene tres módulos personalizados: el exfoliante, el catalogador y el apilador. Para crear capas 2D, los científicos usan el exfoliante. Similar a la técnica de la cinta adhesiva manual, el exfoliador tiene un conjunto de rodillos mecanizados que exfolia capas delgadas de cristales de origen más grandes con controles que brindan el tipo de precisión que no se puede lograr a mano. Una vez recolectados y distribuidos, los cristales fuente se presionan sobre una oblea de óxido de silicona y se despegan. Luego se pasan al catalogador, un microscopio automatizado que combina varias técnicas de caracterización óptica. El catalogador utiliza el aprendizaje automático (ML) para identificar copos de interés que luego se catalogan en una base de datos. Actualmente, ML se entrena solo con datos de grafeno, pero los investigadores seguirán agregando diferentes tipos de materiales 2D. Los científicos pueden usar esta base de datos para encontrar los copos de material que necesitan para su investigación.
Cuando los materiales necesarios están disponibles, los científicos pueden usar el apilador para fabricar heteroestructuras a partir de ellos. Usando robótica de alta precisión, toman las escamas de muestra y las colocan en el orden necesario, en cualquier ángulo necesario, y transfieren sustratos para crear la heteroestructura final, que se puede almacenar a largo plazo en una biblioteca de muestras para su uso posterior. El clima se controla para garantizar la calidad de las muestras y el proceso de fabricación, desde la exfoliación hasta la construcción de heteroestructuras, se lleva a cabo en un ambiente de gas inerte en una caja de guantes. Los copos exfoliados y las muestras apiladas se almacenan al vacío, en las bibliotecas de muestras del grupo QPress. Además, las herramientas de plasma de oxígeno, recocido y evaporación de haz de electrones están disponibles en el lado de vacío del grupo. La robótica se utiliza para pasar muestras de un área del QPress a la siguiente. Sin embargo, una vez que se fabrican estas heteroestructuras novedosas, ¿qué hacen realmente y cómo lo hacen?
Después de que el equipo de CFN fabricara estos fascinantes nuevos materiales con QPress, integró los materiales con un conjunto de herramientas avanzadas de microscopía y espectroscopía que les permitieron explorar las propiedades optoelectrónicas sin exponer las muestras al aire, lo que degradaría las estructuras del material. Algunas de las propiedades cuánticas delicadas y exóticas de los materiales 2D necesitan temperaturas criogénicas ultrabajas para ser detectadas, de tan solo unos pocos Kelvin. De lo contrario, se perturban por la más mínima cantidad de calor o cualquier químico presente en el aire.
El trabajo de Al-Mahboob está financiado por el proyecto DOE Quantum Materials: Integrated Multimodal Characterization and Processing (QM-IMCP) que CFN ha comenzado a construir.
Construyendo Mejores Estructuras
Usando las capacidades avanzadas de estos recursos, el equipo pudo obtener una imagen más detallada de cómo funciona la transferencia de energía a larga distancia en los TMD.
Muestras de los dicalcogenuros de metales de transición. (Imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven) La energía quiere moverse a través de los materiales, de la misma manera que una persona quiere subir una escalera, pero necesita un lugar al que agarrarse. Los bandgaps se pueden considerar como el espacio entre los peldaños de una escalera. Cuanto más grande es la brecha, más difícil y lento es escalar. Si la brecha es demasiado grande, es posible que ni siquiera sea posible terminar de subir. Usando materiales que ya tienen excelentes propiedades conductoras, este equipo especializado de científicos pudo apilarlos de una manera que aprovechó su estructura para crear vías que transfieren la carga de manera más eficiente. Uno de los TMD que creó el equipo fue el disulfuro de molibdeno (MoS2), que se demostró en estudios anteriores que tiene una fuerte fotoluminiscencia. La fotoluminiscencia es el fenómeno que hace que ciertos materiales brillen en la oscuridad después de haber sido expuestos a la luz. Cuando un material absorbe luz con más energía que esa energía de banda prohibida, puede emitir luz con energía fotónica igual a la energía de banda prohibida. Si un segundo material con una banda prohibida de energía igual o menor se acerca al primero, tan cerca como de un subnanómetro a unos pocos nanómetros, la energía puede transferirse de forma no radiativa desde el primer material al segundo. El segundo material puede entonces emitir luz con una energía fotónica igual a su banda prohibida de energía. Con una capa intermedia aislante hecha de nitruro de boro hexagonal (hBN), que evita la conductividad electrónica, los científicos observaron un tipo inusual de transferencia de energía a larga distancia entre este TMD y uno hecho de diseleniuro de tungsteno (WSe2), que conduce la electricidad de manera muy eficiente. El proceso de transferencia de energía se produjo desde los materiales de banda prohibida más baja a la más alta, lo que no es típico en las heteroestructuras TMD, donde la transferencia generalmente ocurre desde los materiales 2D de banda prohibida más alta a la más baja. El grosor de la capa intermedia jugó un papel importante, pero también pareció desafiar las expectativas. “Nos sorprendió el comportamiento de este material”, dijo Al-Mahboob. “La interacción entre las dos capas aumenta junto con el aumento de la distancia hasta cierto punto, y luego comienza a disminuir. Variables como el espacio, la temperatura y el ángulo jugaron un papel importante”. Al obtener una mejor comprensión de cómo estos materiales absorben y emiten energía a esta escala, los científicos pueden aplicar estas propiedades a nuevos tipos de tecnologías y mejorar las actuales. Estos podrían incluir células solares que absorben la luz de manera más efectiva y mantienen una mejor carga, fotosensores con mayor precisión y componentes electrónicos que pueden reducirse a tamaños aún más pequeños para dispositivos más compactos.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63520.php
