Creando catene atomiche in un cristallo bidimensionale, i ricercatori della Penn State credono di aver trovato un modo per controllare la direzione delle proprietà dei materiali nei cristalli bi e tridimensionali con implicazioni nel rilevamento, optoelettronica e applicazioni elettroniche di nuova generazione.

Se una lega ha una disposizione casuale di atomi o una disposizione ordinata può avere grandi effetti sulle proprietà di un materiale. In un articolo pubblicato online in Nano lettere , Nasim Alem, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, e colleghi della Penn State hanno utilizzato una combinazione di simulazioni e imaging di microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) per determinare la struttura atomica di una lega ordinata di molibdeno, tungsteno e zolfo. Hanno determinato che le fluttuazioni nella quantità di zolfo disponibile erano responsabili della creazione di catene atomiche di molibdeno o tungsteno.

"Abbiamo scoperto come si formano le catene in una lega bidimensionale come risultato di fluttuazioni nella quantità di un particolare precursore, in questo caso zolfo, " disse Alem. "Normalmente, quando uniamo atomi di elementi diversi, non sappiamo come controllare dove andranno gli atomi. Ma abbiamo trovato un meccanismo per dare ordine agli atomi, che a sua volta introduce il controllo delle proprietà, non solo trasporto di calore, come nel caso di questo lavoro, ma anche elettronico, proprietà chimiche o magnetiche in altri casi di leghe. Se conosci il meccanismo, puoi applicarlo per disporre gli atomi in un'ampia gamma di leghe in cristalli 2D lungo la tavola periodica".

Nel caso del molibdeno, tungsteno e lega di zolfo, i ricercatori hanno dimostrato che le proprietà elettroniche erano le stesse in ogni direzione, ma usando simulazioni, prevedono che le proprietà di trasporto termico siano inferiori perpendicolarmente alle catene o strisce.

"Non sapevamo perché questo cristallo formi una struttura ordinata, quindi abbiamo lavorato con il mio collega Dr. Vin Crespi per capire la fisica sottostante che causa l'ordine in questo cristallo, " disse Alem. "I nostri calcoli mostrano che erano le fluttuazioni nel terzo elemento, zolfo, che stava determinando come si formavano le catene."

Vincenzo Crespi, illustre professore di fisica, e professore di chimica e scienza dei materiali e ingegneria, che ha sviluppato la comprensione teorica del fenomeno, disse, "Sebbene l'interno del fiocco sia indifferente al fatto che il molibdeno o il tungsteno occupino qualche sito nel reticolo cristallino, il bordo del cristallo in crescita si preoccupa:a seconda di quanto zolfo è disponibile in una determinata posizione, il bordo preferirà essere al 100% di molibdeno o al 100% di tungsteno. Quindi, poiché la disponibilità di zolfo varia casualmente durante la crescita, il sistema prevede alternativamente file di molibdeno o tungsteno. Riteniamo che questo possa essere un meccanismo generale per creare strutture simili a strisce in materiali 2D".

Amin Aziz, un dottorato di ricerca candidato nel gruppo di Alem e autore principale, ha prodotto l'imaging e la spettroscopia STEM che hanno mostrato la struttura atomica fine dei campioni di lega e le loro proprietà elettroniche.

"Quando siamo in grado di visualizzare direttamente gli atomi costitutivi di una sostanza, vedere come interagiscono tra loro a livello atomico e cercare di capire le origini di tali comportamenti, potremmo potenzialmente creare nuovi materiali con proprietà insolite che non sono mai esistite, " disse Azizi.

Una squadra guidata da Mauricio Terrones, professore di fisica, prodotti campioni di questa lega ordinata vaporizzando polveri di tutti e tre gli elementi, chiamati precursori, a fuoco vivo.