Saranno strati spessi un atomo di bisolfuro di molibdeno, un composto che si trova naturalmente nelle rocce, rivelarsi migliore del grafene per le applicazioni elettroniche? Ci sono molti segni che potrebbero rivelarsi così. Ma i fisici della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia hanno dimostrato che la natura dei fenomeni che si verificano nei materiali stratificati è ancora mal compresa e richiede ulteriori ricerche.

Il grafene è già stato salutato come il futuro dell'elettronica. Costruito con anelli di carbonio a sei atomi disposti in una struttura a nido d'ape, forma fogli estremamente resistenti dello spessore di un solo atomo. Però, sappiamo di altri materiali che hanno un simile, struttura a strati. È importante sottolineare che alcuni di quelli, come il bisolfuro di molibdeno, hanno proprietà altrettanto intriganti di quelle del grafene.

Ricercatori dell'Università di Varsavia, La Facoltà di Fisica (FUW) ha dimostrato che i fenomeni che si verificano nella rete cristallina dei fogli di bisolfuro di molibdeno sono di natura leggermente diversa da quanto si pensasse in precedenza. Un rapporto che descrive la scoperta, realizzato in collaborazione con il Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses di Grenoble, è stato recentemente pubblicato su Lettere di fisica applicata .

"Non sarà possibile costruire sistemi elettronici complessi costituiti da singoli fogli atomici finché non avremo una comprensione sufficientemente buona della fisica coinvolta nei fenomeni che si verificano all'interno della rete cristallina di quei materiali. La nostra ricerca mostra, però, che la ricerca ha ancora molta strada da fare in questo campo", dice il prof. Adam Babiński presso la Facoltà di Fisica UW.

Il metodo più semplice per creare il grafene si chiama esfoliazione:un pezzo di scotch viene prima incollato su un pezzo di grafite, poi staccato. Tra le particelle che restano attaccate al nastro, si possono trovare strati microscopici di grafene. Questo perché la grafite è costituita da molti fogli di grafene adiacenti l'uno all'altro. Gli atomi di carbonio all'interno di ogni strato sono fortemente legati l'uno all'altro (tramite legami covalenti, a cui il grafene deve la sua leggendaria resilienza), ma i singoli strati sono tenuti insieme da legami significativamente più deboli (legami di van de Walls). Lo scotch ordinario è abbastanza forte da rompere quest'ultimo e strappare i singoli fogli di grafene dal cristallo di grafite.

Alcuni anni fa si è notato che proprio come il grafene può essere ottenuto dalla grafite, fogli dello spessore di un singolo atomo possono essere ottenuti similmente da molti altri cristalli. Questo è stato fatto con successo, ad esempio, con metalli di transizione calcogenuri (solfuri, selenidi, e tellururi). Strati di bisolfuro di molibdeno (MoS2), in particolare, si sono rivelati un materiale molto interessante. Questo composto esiste in natura come molibdenite, un materiale cristallino trovato nelle rocce di tutto il mondo, spesso assumendo la caratteristica forma di placche esagonali color argento. Per anni la molibdenite è stata utilizzata nella produzione di lubrificanti e leghe metalliche. Come nel caso della grafite, le proprietà dei fogli di un singolo atomo di MoS2 sono passate a lungo inosservate.

Dal punto di vista delle applicazioni in elettronica, i fogli di bisolfuro di molibdeno presentano un vantaggio significativo rispetto al grafene:hanno un gap energetico, un intervallo di energia entro il quale non possono esistere stati di elettroni. Applicando il campo elettrico, il materiale può essere commutato tra uno stato che conduce elettricità e uno che si comporta come un isolante. Secondo i calcoli attuali, un transistor al bisolfuro di molibdeno spento consumerebbe anche poche centinaia di migliaia di volte meno energia di un transistor al silicio. Grafene, d'altra parte, non ha gap di energia e i transistor in grafene non possono essere completamente spenti.

Informazioni preziose sulla struttura di un cristallo e sui fenomeni che si verificano al suo interno possono essere ottenute analizzando come la luce viene dispersa all'interno del materiale. I fotoni di una data energia vengono solitamente assorbiti dagli atomi e dalle molecole del materiale, poi riemesso alla stessa energia. Nello spettro della luce diffusa si può allora vedere un picco caratteristico, corrispondente a quella energia. Si scopre, però, che uno su molti milioni di fotoni è in grado di utilizzare parte della sua energia altrimenti, per esempio per alterare la vibrazione o la circolazione di una molecola. A volte si verifica anche la situazione inversa:un fotone può sottrarre parte dell'energia di una molecola, e quindi la sua stessa energia aumenta leggermente. In questa situazione, noto come dispersione Raman, si osservano due picchi più piccoli ai lati del picco principale.

Gli scienziati della Facoltà di Fisica della UW hanno analizzato gli spettri Raman del disolfuro di molibdeno effettuando misurazioni microscopiche a bassa temperatura. La maggiore sensibilità dell'attrezzatura ei metodi di analisi dettagliati hanno consentito al team di proporre un modello più preciso dei fenomeni che si verificano nella rete cristallina del disolfuro di molibdeno.

"Nel caso di materiali monostrato, la forma delle linee Raman è stata precedentemente spiegata in termini di fenomeni che coinvolgono alcune vibrazioni caratteristiche della rete cristallina. Abbiamo mostrato per i fogli di bisolfuro di molibdeno che gli effetti attribuiti a quelle vibrazioni devono effettivamente, almeno in parte, essere dovuto ad altre vibrazioni della rete non precedentemente prese in considerazione", spiega Katarzyna Gołasa, uno studente di dottorato presso la Facoltà di Fisica UW.

La presenza del nuovo tipo di vibrazione nei materiali a foglio singolo ha un impatto sul comportamento degli elettroni. Come conseguenza, questi materiali devono avere proprietà elettroniche un po' diverse rispetto a quanto previsto in precedenza.

"Il grafene è stato il primo. Le sue caratteristiche uniche hanno innescato un notevole, interesse ancora crescente tra gli scienziati e anche dall'industria. Però, non dobbiamo dimenticare altri materiali monostrato. Se li studiamo bene, potrebbero rivelarsi migliori del grafene per molte applicazioni", dice il prof. Babiński.

Fisica e Astronomia apparvero per la prima volta all'Università di Varsavia nel 1816, nell'allora Facoltà di Filosofia. Nel 1825 fu istituito l'Osservatorio Astronomico. Attualmente, gli Istituti della Facoltà di Fisica comprendono Fisica Sperimentale, Fisica teorica, Geofisica, Dipartimento di Metodi Matematici e Osservatorio Astronomico. La ricerca copre quasi tutte le aree della fisica moderna, su scale dal quanto al cosmologico. Il personale di ricerca e docente della Facoltà comprende ca. 200 docenti universitari, di cui circa 80 sono dipendenti con il titolo di professore. La Facoltà di Fisica, Università di Varsavia, è frequentato da ca. 1000 studenti e più di 140 dottorandi.