Una collaborazione internazionale di ricercatori ha utilizzato simulazioni al computer per trovare la sottigliezza minima di una lastra di sale in modo che si rompa in strati simili al grafene. Sulla base della simulazione al computer, hanno derivato l'equazione per il numero di strati in un cristallo che produrrà film ultrasottili con applicazioni in nanoelettronica. I loro risultati erano in Il Journal of Physical Chemistry Letters .

Dal 3D al 2D

Lo spessore monoatomico unico del grafene lo rende un materiale attraente e utile. Il suo reticolo cristallino ricorda un nido d'ape, poiché i legami tra gli atomi costituenti formano esagoni regolari. Il grafene è un singolo strato di un cristallo di grafite tridimensionale e le sue proprietà (così come le proprietà di qualsiasi cristallo 2D) sono radicalmente diverse dalla sua controparte 3D. Dalla scoperta del grafene, una grande quantità di ricerche è stata rivolta a nuovi materiali bidimensionali con proprietà intriganti. I film ultrasottili hanno proprietà insolite che potrebbero essere utili per applicazioni come la nano e la microelettronica.

Precedenti studi teorici hanno suggerito che i film con una struttura cubica e un legame ionico potrebbero convertirsi spontaneamente in una struttura grafitica esagonale a strati in quella che è nota come grafitizzazione. Per alcune sostanze, questa conversione è stata osservata sperimentalmente. È stato previsto che il salgemma NaCl potrebbe essere un composto con tendenze alla grafitizzazione. La grafitizzazione dei composti cubici potrebbe produrre strutture nuove e promettenti per applicazioni nella nanoelettronica. Però, nessuna teoria ha spiegato questo processo con un composto cubico arbitrario o fatto previsioni sulla sua conversione in strati di sale simili al grafene.

Affinché si verifichi la grafitizzazione, gli strati cristallini devono essere ridotti lungo la diagonale principale della struttura cubica. Ciò comporterebbe una superficie cristallina costituita da ioni sodio e l'altra da ioni cloruro. È importante notare che gli ioni positivi e negativi, e non gli atomi neutri, occupano i punti del reticolo della struttura. Questo genera cariche di segno opposto sulle due superfici. Finché le superfici sono lontane l'una dall'altra, tutte le spese si annullano, e la lastra di sale mostra una preferenza per una struttura cubica. Però, un film sufficientemente sottile dà luogo ad un grande momento dipolare dovuto alle cariche opposte delle due superfici cristalline. La struttura cerca di eliminare il momento di dipolo, che aumenta l'energia del sistema. Per rendere le superfici a carica neutra, il cristallo subisce un riarrangiamento di atomi.

Esperimento contro modello

Per studiare come le tendenze alla grafitizzazione variano a seconda del composto, i ricercatori hanno esaminato 16 composti binari con la formula generale AB, dove A sta per uno dei quattro metalli alcalini litio Li, sodio Na, potassio K, e rubidio Rb. Questi sono elementi altamente reattivi trovati nel gruppo 1 della tavola periodica. La B nella formula sta per uno qualsiasi dei quattro alogeni fluoro F, cloro Cl, bromo Br, e iodio I. Questi elementi sono nel gruppo 17 della tavola periodica e reagiscono prontamente con i metalli alcalini.

Tutti i composti in questo studio sono disponibili in una serie di strutture, noto anche come reticolo cristallino o fasi. Se la pressione atmosferica viene aumentata a 300, 000 volte il suo valore normale, un'altra fase (B2) di NaCl (rappresentata dalla parte gialla del diagramma) diventa più stabile, modificando il reticolo cristallino. Per testare la loro scelta di metodi e parametri, i ricercatori hanno simulato due reticoli cristallini e calcolato la pressione che corrisponde alla transizione di fase tra di loro. Le loro previsioni concordano con i dati sperimentali.

Quanto dovrebbe essere sottile?

I composti oggetto di questo studio possono avere tutti una forma esagonale, fase G "grafitica" (il rosso nel diagramma) che è instabile nella massa 3-D ma diventa la struttura più stabile per film ultrasottili (2-D o quasi-2-D). I ricercatori hanno identificato la relazione tra l'energia superficiale di un film e il numero di strati in esso contenuti per strutture sia cubiche che esagonali. Hanno rappresentato graficamente questa relazione tracciando due linee con pendenze diverse per ciascuno dei composti studiati. Ogni coppia di linee associata ad un composto ha un punto comune che corrisponde allo spessore critico della soletta che rende energeticamente favorevole la conversione da una struttura cubica ad una esagonale. Per esempio, il numero critico di strati è risultato essere vicino a 11 per tutti i sali di sodio e tra 19 e 27 per i sali di litio.

Sulla base di questi dati, i ricercatori hanno stabilito una relazione tra il numero critico di strati e due parametri che determinano la forza dei legami ionici in vari composti. Il primo parametro indica la dimensione di uno ione di un dato metallo, il suo raggio ionico. Il secondo parametro è chiamato elettronegatività ed è una misura della capacità dell'atomo di attrarre gli elettroni dell'elemento B. Un'elettronegatività più alta significa un'attrazione più potente degli elettroni da parte dell'atomo, una natura ionica più pronunciata del legame, un dipolo di superficie più grande, e un minore spessore critico della soletta.

Pavel Sorokin, capo del Laboratorio di simulazione di nuovi materiali presso TISNCM afferma, "Questo lavoro ha già attratto i nostri colleghi da Israele e Giappone. Se confermeranno i nostri risultati sperimentalmente, questo fenomeno [di grafitizzazione] fornirà una via praticabile per la sintesi di film ultrasottili con potenziali applicazioni in nanoelettronica."

Gli scienziati intendono ampliare la portata dei loro studi esaminando altri composti. Ritengono che anche film ultrasottili di diversa composizione possano subire spontaneamente la grafitizzazione, producendo nuove strutture stratificate con proprietà ancora più intriganti.