Le increspature in un reticolo di atomi di tellurio formati in tellurene a tre strati alla Rice University mostrano diversi politipi - diverse disposizioni atomiche basate su come sono impilati gli strati - con proprietà elettroniche e ottiche distinte. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
Come spesso accadono le cose nella scienza, Amey Apte non stava cercando il tellurio bidimensionale mentre sperimentava i materiali alla Rice University. Ma c'era.
"È come se avessi provato a trovare un centesimo e invece ho trovato un dollaro, " Egli ha detto.
Apte e i suoi colleghi hanno creato il tellurio, un metallo raro, in una pellicola spessa meno di un nanometro (un miliardesimo di metro) fondendo una polvere dell'elemento ad alta temperatura e soffiando gli atomi su una superficie. Ha detto che il materiale risultante, tellurene, mostra la promessa per la prossima generazione, celle solari nel vicino infrarosso e altre applicazioni optoelettroniche che si basano sulla manipolazione della luce.
Il jackpot sottile è descritto in Materiali 2D.
"Stavo cercando di coltivare un dichalcogenuro di metallo di transizione, ditelluride di tungsteno, ma poiché il tungsteno ha un alto punto di fusione era difficile, "disse Apto, uno studente laureato nel laboratorio Rice dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan e co-autore dell'articolo. "Ma ho osservato alcuni altri film che hanno catturato il mio interesse".
Gli altri film si sono rivelati cristalli ultrasottili di puro tellurio. Ulteriori esperimenti hanno portato i ricercatori a creare il nuovo materiale in due forme:un grande, film consistente di circa 6 nanometri di spessore che copriva una superficie di un centimetro quadrato, e un film a tre strati atomici che misurava meno di un nanometro di spessore.
Le simulazioni di tellurene a tre strati sovrapposte a un'immagine microscopica del materiale creato alla Rice University mostrano l'accuratezza di come le increspature in un foglio di materiale forzerebbero gli atomi in tre configurazioni distinte. Sebbene connesso, questi politipi hanno proprietà elettroniche ed ottiche differenti. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
"I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono di gran moda in questi giorni, ma quelli sono tutti materiali 2D composti, " ha detto Ajayan. "Questo materiale è un singolo elemento e mostra la stessa ricchezza strutturale e varietà di un composto, quindi il tellurio 2D è interessante sia da un punto di vista teorico che sperimentale. Gli strati di calcogeno a singolo elemento di sottigliezza atomica sarebbero interessanti, ma non sono stati studiati molto".
Le immagini scattate con il potente microscopio elettronico di Rice hanno mostrato che gli strati atomici si erano disposti esattamente come previsto dalla teoria, come fogli esagonali simili al grafene leggermente sfalsati l'uno rispetto all'altro. Il tellureno, realizzato a 650 gradi Celsius (1, Forno a 202 gradi Fahrenheit) fondendo polvere di tellurio sfuso, sembrava anche essere leggermente piegato in un modo che cambia sottilmente le relazioni tra gli atomi su ogni strato.
"Per questo, vediamo diversi politipi, il che significa che la struttura cristallina del materiale rimane la stessa ma la disposizione atomica può differire in base a come gli strati sono impilati, " Ha detto Apte. "In questo caso, i tre politipi che vediamo al microscopio corrispondono a strutture teoricamente previste e hanno disposizioni reticolari completamente diverse che conferiscono a ciascuna fase proprietà diverse".
"L'anisotropia nel piano significa anche che le proprietà dell'assorbimento ottico, trasmissione o conduttività elettrica saranno differenti nelle due direzioni principali, ", ha affermato la studentessa laureata Rice e co-autrice principale Elizabeth Bianco. "Per esempio, il tellurene può mostrare una conduzione elettrica fino a tre ordini di grandezza superiore al bisolfuro di molibdeno, e sarebbe utile in optoelettronica."
I modelli al computer creati dagli scienziati della University of Southern California mostrano le energie di legame tra gli atomi nel tellurene sintetizzato alla Rice University. I tre strati in tellurene ultrasottile non sono perfettamente allineati, conferendo al materiale proprietà metalliche e semiconduttive. Credito:Ajayan Research Group/Rice University
Film di tellurio più spessi sono stati realizzati anche sotto vuoto a temperatura ambiente tramite deposizione laser pulsata, che ha fatto saltare gli atomi dalla massa e ha permesso loro di formare un film stabile su una superficie di ossido di magnesio.
Il tellurene potrebbe avere proprietà topologiche con potenziali benefici per la spintronica e la magnetoelettronica. "Gli atomi di tellurio sono molto più pesanti del carbonio, " Ha detto Apte. "Essi mostrano un fenomeno chiamato accoppiamento spin-orbita, che è molto debole negli elementi più leggeri, e consente una fisica molto più esotica come le fasi topologiche e gli effetti quantistici".
"L'aspetto affascinante del tellurene che lo differenzia dagli altri materiali 2D è la sua struttura cristallina unica e l'elevata temperatura di fusione, " ha detto il co-autore Ajit Roy, scienziato dei materiali presso l'Air Force Research Laboratory presso la Wright-Patterson Air Force Base a Dayton, Ohio. "Ciò ci consente di espandere l'ambito delle prestazioni dell'optoelettronica, dispositivi termoelettrici e altri dispositivi a film sottile."
