La perfezione non è tutto, secondo un team internazionale di ricercatori il cui studio sui materiali 2-D mostra che i difetti possono migliorare la fisica di un materiale, elettrochimico, magnetico, proprietà energetiche e catalitiche.

"Dispositivi elettronici, come i transistor, sono generalmente costituiti da strati di metallo impilati relativamente ingombranti, ossidi e semiconduttori cristallini, " disse Shengxi Huang, professore assistente di ingegneria elettrica, Penn State. "Vorremmo realizzarli con materiali bidimensionali in modo che possano essere più veloci, più piccolo e più flessibile."

Per fare questo, i ricercatori stanno esaminando i singoli strati atomici di solfuro di molibdeno. Riportano i risultati della loro indagine in un recente numero di ACS Nano .

Il solfuro di molibdeno è una molecola costituita da un atomo di molibdeno con due atomi di zolfo attaccati. Le molecole si allineano con il molibdeno nel mezzo e gli atomi di zolfo in alto e in basso quando formano un 2-D, singolo strato, film. Questi film sono stati posizionati su una varietà di substrati:oro, grafene monostrato, nitruro di boro esagonale e biossido di cerio e irradiati per creare difetti nella struttura reticolare.

La creazione di materiali 2D non è un processo di fabbricazione perfetto e i difetti sono sempre presenti nel reticolo. I ricercatori volevano determinare come quei difetti modificassero le proprietà fisiche ed elettrochimiche del solfuro di molibdeno. L'irradiazione fa sì che parte del solfuro di molibdeno perda un atomo di zolfo dalla superficie. Usando questi film tutt'altro che perfetti, i ricercatori hanno potuto vedere come i materiali sono cambiati utilizzando una varietà di microscopie e spettroscopie.

Le simulazioni dei difetti del reticolo hanno permesso ai ricercatori di manipolare i materiali e produrre strutture che corrispondessero ai film sperimentalmente difettosi. Hanno scoperto che i risultati delle proprietà dei materiali delle loro simulazioni corrispondevano ai risultati sperimentali.

"Abbiamo scoperto che i difetti dello zolfo hanno migliorato le caratteristiche fisiche del materiale, "ha detto Huang. "Scegliendo le posizioni e il numero di difetti, dovremmo essere in grado di mettere a punto la struttura della banda del materiale, migliorare le sue capacità elettroniche."

Sperimentalmente, i ricercatori hanno scoperto che si perdono molti più atomi di zolfo rispetto agli atomi di molibdeno, perché lo zolfo è sulle superfici e il molibdeno è protetto nel mezzo. Hanno anche notato che, poiché così tanti atomi di zolfo lasciano il materiale, i difetti causati dall'assenza di zolfo prevalgono su qualsiasi effetto che possa avere l'assenza di un molibdeno nel reticolo.

Indagare in che modo diversi substrati migliorano o non migliorano le proprietà del materiale bidimensionale, i ricercatori hanno scoperto che "i substrati possono regolare i livelli di energia elettronica nel solfuro di molibdeno a causa del trasferimento di carica all'interfaccia". Le proprietà del materiale del substrato modificano anche le proprietà del singolo strato bidimensionale. Biossido di cerio, perché è un ossido, alterato le proprietà elettriche del materiale in modo diverso rispetto agli altri substrati.

Più piccoli, l'elettronica più veloce e più flessibile non è l'unico risultato possibile della messa a punto di questi materiali 2-D.

"Se abbiamo la giusta quantità di offerte di zolfo, possiamo migliorare i processi chimici come l'evoluzione dell'idrogeno dall'acqua, " disse Huang.

Materiali come il solfuro di molibdeno sono usati come catalizzatori nelle reazioni chimiche. Huang si riferisce alla scissione dell'acqua, un processo utilizzato per creare idrogeno gassoso e ossigeno dall'acqua liquida in cui il solfuro di molibdeno correttamente difettoso potrebbe migliorare il processo e ridurre la quantità di energia e i costi necessari e aumentare la quantità di idrogeno prodotto.

Il molibdeno è un metallo di transizione e anche altri membri di questo gruppo atomico formano molecole chiamate dicalcogenuri. Questi includono tungsteno, niobio, zirconio, titanio e tantalio e formano strati con zolfo e altri calcogenuri come selenio e tellurio. Altri dicalcogenuri possono essere trasformati in materiali 2-D e possono anche essere sintonizzabili per migliorarne le proprietà.