I fisici dell'Università del Kansas hanno fabbricato una sostanza innovativa da due diversi fogli atomici che si incastrano in modo molto simile ai mattoncini Lego. I ricercatori hanno affermato che il nuovo materiale, costituito da uno strato di grafene e uno strato di disolfuro di tungsteno, potrebbe essere utilizzato nelle celle solari e nell'elettronica flessibile. I loro risultati sono pubblicati oggi da Comunicazioni sulla natura .

Hsin-Ying Chiu, professore assistente di fisica e astronomia, e lo studente laureato Matt Bellus ha fabbricato il nuovo materiale utilizzando "l'assemblaggio strato per strato" come tecnica di nanofabbricazione dal basso verso l'alto versatile. Quindi, Jiaqi He, uno studente in visita dalla Cina, e Nardeep Kumar, uno studente laureato che ora si è trasferito in Intel Corp., ha studiato come gli elettroni si muovono tra i due strati attraverso la spettroscopia laser ultraveloce nell'Ultrafast Laser Lab di KU, supervisionato da Hui Zhao, professore associato di fisica e astronomia.

"Costruire materiali artificiali con funzionalità sinergica è stato un lungo viaggio di scoperte, " Chiu ha detto. "Una nuova classe di materiali, fatto dei materiali stratificati, ha attirato una vasta attenzione sin dal rapido sviluppo della tecnologia del grafene. Uno degli aspetti più promettenti di questa ricerca è il potenziale per ideare materiali di prossima generazione tramite il controllo a livello di strato atomico sulla sua struttura elettronica".

Secondo i ricercatori, l'approccio è quello di progettare materiali sinergici combinando due fogli spessi di un singolo atomo, Per esempio, fungendo da cella fotovoltaica oltre che da diodo emettitore di luce, convertire l'energia tra elettricità e radiazione. Però, combinare strati di materiale atomicamente sottile è un compito spinoso che ha sconcertato i ricercatori per anni.

"Una grande sfida di questo approccio è che, la maggior parte dei materiali non si connette tra loro a causa delle loro diverse disposizioni atomiche all'interfaccia:la disposizione degli atomi non può seguire i due diversi insiemi di regole allo stesso tempo, " Chiu ha detto. "Questo è come giocare con Lego di diverse dimensioni realizzati da diversi produttori. Come conseguenza, nuovi materiali possono essere realizzati solo da materiali con disposizioni atomiche molto simili, che spesso hanno proprietà simili, pure. Anche allora, la disposizione degli atomi all'interfaccia è irregolare, che spesso si traduce in qualità scadenti."

I materiali stratificati come quelli sviluppati dai ricercatori KU forniscono una soluzione a questo problema. A differenza dei materiali convenzionali formati da atomi che sono fortemente legati in tutte le direzioni, il nuovo materiale presenta due strati in cui ogni foglio atomico è composto da atomi legati fortemente con i loro vicini, ma i due fogli atomici sono essi stessi solo debolmente legati l'uno all'altro dalla cosiddetta forza di van der Waals, lo stesso fenomeno attrattivo tra le molecole che permette ai gechi di attaccarsi a pareti e soffitti.

"Esistono circa 100 diversi tipi di cristalli stratificati:la grafite è un esempio ben noto, " disse Bellus. "A causa della debole connessione intercalare, si possono scegliere due tipi qualsiasi di fogli atomici e sovrapporli senza alcun problema. È come giocare a Lego con il fondo piatto. Non c'è nessuna restrizione. Questo approccio può potenzialmente produrre un gran numero di nuovi materiali con nuove proprietà combinate e trasformare la scienza dei materiali".

Chiu e Bellus hanno creato il nuovo materiale di solfuro di carbonio e tungsteno con l'obiettivo di sviluppare nuovi materiali per celle solari efficienti. Il singolo foglio di atomi di carbonio, noto come grafene, eccelle nel muovere gli elettroni, mentre un singolo strato di atomi di disolfuro di tungsteno è bravo ad assorbire la luce solare e convertirla in elettricità. Combinando i due, questo materiale innovativo può potenzialmente svolgere bene entrambi i compiti.

Il team ha utilizzato del nastro per sollevare un singolo strato di atomi di disolfuro di tungsteno da un cristallo e applicarlo a un substrato di silicio. Prossimo, hanno usato la stessa procedura per rimuovere un singolo strato di atomi di carbonio da un cristallo di grafite. Con un microscopio, hanno posato precisamente il grafene sopra lo strato di disolfuro di tungsteno. Per rimuovere l'eventuale colla tra i due strati atomici introdotta involontariamente durante il processo, il materiale è stato riscaldato a circa 500 gradi Fahrenheit per mezz'ora. Ciò ha permesso alla forza tra i due strati di spremere la colla, risultando in un campione di due strati atomicamente sottili con un'interfaccia pulita.

Studenti di dottorato Lui e Kumar hanno testato il nuovo materiale nell'Ultrafast Laser Lab di KU. I ricercatori hanno utilizzato un impulso laser per eccitare lo strato di disolfuro di tungsteno.

"Abbiamo scoperto che quasi il 100% degli elettroni che hanno assorbito l'energia dall'impulso laser si spostano dal disolfuro di tungsteno al grafene entro un picosecondo, o un milionesimo di un milionesimo di secondo, " Zhao ha detto. "Questo dimostra che il nuovo materiale combina effettivamente le buone proprietà di ogni strato componente".

I gruppi di ricerca guidati da Chiu e Zhao stanno cercando di applicare questo approccio Lego ad altri materiali. Per esempio, combinando due materiali che assorbono la luce di colori diversi, possono creare materiali che reagiscono a diverse parti dello spettro solare.