Un team di ricerca guidato da scienziati e ingegneri dell'UCLA ha sviluppato un metodo per creare nuovi tipi di "superreticoli" artificiali, materiali composti da strati alternati di fogli "bidimensionali" ultrasottili, che hanno solo uno o pochi atomi di spessore. A differenza degli attuali superreticoli all'avanguardia, in cui gli strati alternati hanno strutture atomiche simili, e quindi proprietà elettroniche simili, questi strati alternati possono avere strutture radicalmente diverse, proprietà e funzioni, qualcosa non disponibile in precedenza.

Per esempio, mentre uno strato di questo nuovo tipo di superreticolo può consentire un rapido flusso di elettroni attraverso di esso, l'altro tipo di strato può fungere da isolante. Questo design limita le proprietà elettroniche e ottiche a singoli strati attivi, e impedisce loro di interferire con altri strati isolanti.

Tali superreticoli possono costituire la base per classi migliorate e nuove di dispositivi elettronici e optoelettronici. Le applicazioni includono semiconduttori superveloci e ultra efficienti per transistor in computer e dispositivi intelligenti, e LED e laser avanzati.

Rispetto al convenzionale assemblaggio strato per strato o all'approccio di crescita attualmente utilizzato per creare superreticoli 2D, il nuovo processo guidato dall'UCLA per la produzione di superreticoli da materiali 2D è molto più veloce ed efficiente. Più importante, il nuovo metodo produce facilmente superreticoli con decine, centinaia o addirittura migliaia di strati alternati, che non è ancora possibile con altri approcci.

Questa nuova classe di superreticoli alterna lastre di cristalli atomici 2D intervallate da molecole di varie forme e dimensioni. In effetti, questo strato molecolare diventa il secondo "foglio" perché è tenuto in posizione da forze di "van der Waals", deboli forze elettrostatiche per mantenere molecole altrimenti neutre "attaccate" l'una all'altra. Questi nuovi superreticoli sono chiamati "superreticoli molecolari di cristalli atomici monostrato".

Lo studio, pubblicato in Natura , era guidato da Xiangfeng Duan, Professore UCLA di chimica e biochimica, e Yu Huang, Professore UCLA di scienza e ingegneria dei materiali presso la UCLA Samueli School of Engineering.

"I tradizionali superreticoli a semiconduttore di solito possono essere realizzati solo con materiali con simmetria reticolare molto simile, normalmente con strutture elettroniche piuttosto simili, " disse Huang. "Per la prima volta, abbiamo creato strutture superreticolo stabili con strati radicalmente diversi, ma disposizioni atomico-molecolari quasi perfette all'interno di ogni strato. Questa nuova classe di strutture a superreticolo ha proprietà elettroniche personalizzabili per potenziali applicazioni tecnologiche e ulteriori studi scientifici".

Un metodo attuale per costruire un superreticolo è impilare manualmente gli strati ultrasottili uno sopra l'altro. Ma questo è laborioso. Inoltre, poiché i fogli simili a fiocchi sono fragili, ci vuole molto tempo per costruire perché molti fogli si romperanno durante il processo di posizionamento. L'altro metodo consiste nel far crescere un nuovo strato sopra l'altro, utilizzando un processo chiamato "deposizione chimica da vapore". Ma poiché ciò significa condizioni diverse, come il calore, pressione o ambienti chimici, sono necessari per far crescere ogni strato, il processo potrebbe provocare l'alterazione o la rottura dello strato sottostante. Questo metodo è anche laborioso con bassi tassi di rendimento.

Il nuovo metodo per creare superreticoli molecolari di cristalli atomici monostrato utilizza un processo chiamato "intercalazione elettrochimica, " in cui viene applicata una tensione negativa. Questo inietta elettroni con carica negativa nel materiale 2D. Quindi, questo attrae molecole di ammonio caricate positivamente negli spazi tra gli strati atomici. Quelle molecole di ammonio si assemblano automaticamente in nuovi strati nella struttura cristallina ordinata, creando un superreticolo.

"Pensa a un materiale bidimensionale come una pila di carte da gioco, " disse Duan. "Allora immagina che possiamo far sì che un grande mucchio di perline di plastica vicine si inseriscano da sole, in perfetto ordine, sandwich tra ogni carta. Questa è l'idea analoga, ma con un cristallo di materiale 2D e molecole di ammonio."

I ricercatori hanno prima dimostrato la nuova tecnica utilizzando il fosforo nero come materiale di base per cristalli atomici 2D. Usando la tensione negativa, ioni di ammonio caricati positivamente sono stati attratti nel materiale di base, e si sono inseriti tra i fogli stratificati di fosforo atomico."

A seguito di quel successo, il team ha inserito diversi tipi di molecole di ammonio con varie dimensioni e simmetrie in una serie di materiali 2D per creare un'ampia classe di superreticoli. Hanno scoperto che potevano adattare le strutture dei risultanti superreticoli molecolari di cristalli atomici monostrato, che aveva una vasta gamma di proprietà elettroniche e ottiche desiderabili." I materiali risultanti potrebbero essere utili per realizzare transistor più veloci che consumano meno energia, o per creare dispositivi di emissione di luce efficienti, " ha detto Duan.