I ricercatori dell'Istituto di scienza dei materiali di UConn hanno migliorato significativamente le prestazioni di un materiale semiconduttore atomicamente sottile allungandolo, un risultato che potrebbe rivelarsi vantaggioso per gli ingegneri che progettano la prossima generazione di elettronica flessibile, nano dispositivi, e sensori ottici.

In uno studio apparso sulla rivista di ricerca Nano lettere , Michael Petti, professore assistente di ingegneria meccanica, riporta che un doppio strato di sei atomi di diseleniuro di tungsteno ha mostrato un aumento di 100 volte della fotoluminescenza quando è stato sottoposto a deformazione. Il materiale non aveva mai mostrato tale fotoluminescenza prima.

I risultati segnano la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di dimostrare in modo conclusivo che le proprietà dei materiali atomicamente sottili possono essere manipolate meccanicamente per migliorare le loro prestazioni, dice Pettes. Tali capacità potrebbero portare a processori per computer più veloci e sensori più efficienti.

Il processo utilizzato dai ricercatori per ottenere il risultato è significativo anche in quanto offre una nuova metodologia affidabile per misurare l'impatto della deformazione sui materiali ultrasottili, qualcosa che è stato difficile da fare e un ostacolo all'innovazione.

"Gli esperimenti che coinvolgono la deformazione sono spesso criticati poiché la deformazione subita da questi materiali atomicamente sottili è difficile da determinare e spesso ipotizzata come errata, " dice Pettes. "Il nostro studio fornisce una nuova metodologia per condurre misurazioni dipendenti dalla deformazione di materiali ultrasottili, e questo è importante perché si prevede che la deformazione offra cambiamenti di ordini di grandezza nelle proprietà di questi materiali in molti campi scientifici diversi".

Gli scienziati sono stati incuriositi dal potenziale dei materiali atomicamente sottili da quando i ricercatori Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno tagliato con successo uno spesso strato di un atomo di grafene da un pezzo di grafite nel 2004. Considerato un supermateriale per la sua eccezionale resistenza, flessibilità, e capacità di condurre elettricità, il grafene bidimensionale ha trasformato l'industria elettronica e ha fatto guadagnare ai ricercatori un premio Nobel.

Ma per tutto ciò che offre, il grafene ha i suoi limiti. È un semiconduttore scadente perché manca di un gap di banda di elettroni nella sua struttura interna. Di conseguenza, gli elettroni non sono ostacolati e fluiscono rapidamente attraverso di esso quando il materiale è energizzato. I migliori materiali semiconduttori, come il silicio, hanno una banda proibita considerevole che consente l'attivazione e la disattivazione di un flusso di elettroni. Questa capacità è vitale per creare le stringhe di zero e uno che costituiscono i codici di calcolo binari utilizzati nei transistor e nei circuiti integrati.

Gli scienziati dei materiali stanno esplorando il potenziale di altri materiali bidimensionali e atomicamente sottili nella speranza di trovare prodotti superiori al grafene e al silicio.

L'ingegneria della deformazione è stata discussa come un possibile modo per migliorare le prestazioni di questi materiali, perché la loro struttura ultrasottile li rende particolarmente suscettibili alla flessione e allo stiramento, a differenza delle loro forme sfuse tridimensionali più grandi. Ma testare l'impatto della deformazione su materiali dello spessore di pochi atomi si è dimostrato estremamente difficile.

In questo studio, Pettes e Wei Wu, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Pettes e autore principale dello studio, sono stati in grado di misurare con successo l'influenza della deformazione su un singolo doppio strato cristallino di diseleniuro di tungsteno incapsulandolo prima in un sottile strato di vetro acrilico e quindi riscaldandolo in una camera a gas argon. (L'esposizione all'aria distruggerebbe il campione). Questa lavorazione termica ha rafforzato l'adesione del materiale a un substrato polimerico, consentendo un trasferimento quasi perfetto della deformazione applicata, che è stato difficile ottenere in esperimenti precedenti.

Il gruppo ha quindi personalizzato un dispositivo di piegatura che ha permesso loro di aumentare con attenzione la sollecitazione sul materiale monitorando la sua risposta attraverso uno spettrometro Horiba Multiline Raman presso l'Harvard Center for Nanoscale Systems, una struttura utente condivisa finanziata dalla National Science Foundation.

È stato un momento emozionante.

"Il nostro nuovo metodo ci ha permesso di applicare una tensione circa due volte maggiore al materiale 2-D rispetto a quanto riportato da qualsiasi studio precedente, " dice Pettes. "Essenzialmente, eravamo in un nuovo territorio."

In definitiva, i ricercatori hanno scoperto che l'applicazione di livelli crescenti di deformazione al materiale alterava il suo flusso di elettroni, che si rifletteva nella maggiore intensità della fotoluminescenza.

Lavorando con l'esperta di modellazione computerizzata Avinash Dongare, un assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali presso UConn, e l'ex dottorato di ricerca studente Jin Wang, il team è stato in grado di dimostrare che il loro processo poteva, teoricamente, manipolare la banda proibita del diseleniuro di tungsteno e altri materiali atomicamente sottili, che è estremamente importante per i progettisti che cercano semiconduttori e sensori più veloci ed efficienti. La manipolazione di un semiconduttore con un intervallo di banda indiretto molto vicino al punto di transizione a un intervallo di banda diretto potrebbe portare a capacità di elaborazione estremamente veloci.

"Questa è la prima volta che viene riportato in modo conclusivo il controllo estrinseco su una transizione del gap di banda di elettroni da indiretta a diretta, " dice Pettes. "I nostri risultati dovrebbero consentire agli scienziati computazionali che utilizzano l'intelligenza artificiale di progettare nuovi materiali con strutture estremamente resistenti alla deformazione o sensibili alla deformazione. Questo è estremamente importante per la prossima generazione di dispositivi nanoelettronici e optoelettronici flessibili ad alte prestazioni".