Piccoli passaggi fanno una grande differenza per i ricercatori che vogliono creare grandi wafer di materiale bidimensionale.

I passaggi delle dimensioni di un atomo in un substrato forniscono i mezzi per i cristalli 2-D che crescono in una fornace a vapore chimico per riunirsi in un rango perfetto. Gli scienziati hanno recentemente osservato questo fenomeno, e ora un gruppo della Rice University ha un'idea del perché funziona.

Il teorico dei materiali di riso Boris Yakobson e la ricercatrice Ksenia Bets hanno guidato la costruzione di simulazioni che mostrano passaggi delle dimensioni di un atomo su una superficie di crescita, o substrato, hanno la notevole capacità di mantenere allineate le isole di cristallo monostrato man mano che crescono.

Se le condizioni sono giuste, le isole si uniscono in un cristallo più grande senza i bordi dei grani così caratteristici dei materiali 2-D come il grafene cresciuto tramite deposizione chimica da vapore (CVD). che ne conservi la perfezione e le caratteristiche elettroniche, che differiscono a seconda del materiale.

La teoria del riso appare sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere .

L'indagine si è concentrata sul nitruro di boro esagonale (h-BN), noto anche come grafene bianco, un cristallo spesso cresciuto tramite CVD. I cristalli si nucleano in vari punti su un materiale di substrato perfettamente piatto e non necessariamente allineati tra loro.

Però, recenti esperimenti hanno dimostrato che la crescita su substrati vicinali, superfici che appaiono piatte ma in realtà sono sparse, passi atomicamente piccoli:possono allineare i cristalli e aiutarli a fondersi in un unico, struttura uniforme, come riportato su arXiv. Un coautore di quel rapporto e leader della squadra coreana, Feng Ding, è un alunno del laboratorio Yakobson e un attuale professore a contratto alla Rice.

Ma gli sperimentali non mostrano come funziona come, Yakobson ha detto, è noto che i passaggi si snodano e sono in qualche modo disallineati.

"Mi piace paragonare il meccanismo a un 'filtro digitale, ' qui offerto dalla natura discreta dei reticoli atomici, " ha detto. "La curva analogica che, con le sue pendici, descrive un passaggio tortuoso è 'campionato e digitalizzato' dalla stessa griglia di righe atomiche costituenti, spezzando la curva in segmenti rettilinei 1D-terrazza. La pendenza non aiuta, ma non fa male. Sorprendentemente, la partita può essere buona; come una casa ben progettata su una collina, sta dritto.

"La teoria è semplice, sebbene ci sia voluto un sacco di duro lavoro per calcolare e confermare l'abbinamento di complementarietà tra il modello metallico e l'h-BN, quasi come per le coppie A-G-T-C in filamenti di DNA, " ha detto Yakobson.

Non era chiaro perché i cristalli si fondessero così bene in uno solo fino alle simulazioni di Bets, con l'aiuto del co-autore e studente laureato alla Rice Nitant Gupta, ha mostrato come le "isole" h-BN rimangono allineate mentre nucleano lungo gradini visibilmente curvi.

"Una superficie vicinale ha gradini leggermente disallineati all'interno dell'area pianeggiante, " Bets ha detto. "Ha grandi terrazze, ma a volte ci saranno gradini alti un atomo. Il trucco degli sperimentatori è stato quello di allineare questi passaggi vicinali in una direzione".

Nella deposizione chimica da vapore, un gas caldo degli atomi che formeranno il materiale viene fatto fluire nella camera, dove si depositano sul substrato e nucleano i cristalli. Gli atomi di h-BN su una superficie vicinale preferiscono stabilirsi nell'incavo dei gradini.

"Hanno questo bel angolo dove gli atomi avranno più vicini, che li rende più felici, "Le scommesse ha detto. "Cercano di allinearsi ai passaggi e crescere da lì.

"Ma da un punto di vista fisico, è impossibile avere un perfetto, passo atomicamente piatto, " ha detto. "Prima o poi, ci saranno piccole rientranze, o attorcigliamenti. Abbiamo scoperto che su scala atomica, queste pieghe nei passaggi non impediscono l'allineamento di h-BN se le loro dimensioni sono complementari alla struttura di h-BN. Infatti, aiutano a garantire il co-orientamento delle isole."

Poiché i gradini modellati dal laboratorio Rice sono profondi 1,27 angstrom (un angstrom è un miliardesimo di metro), i cristalli in crescita hanno pochi problemi a superare il confine. "Quei passaggi sono più piccoli della distanza di legame tra gli atomi, " Bets ha detto. "Se fossero più grandi, come due angstrom o più, sarebbe più una barriera naturale, quindi i parametri devono essere regolati con attenzione."

Due isole in crescita che si avvicinano l'una all'altra si uniscono senza soluzione di continuità, secondo le simulazioni. Allo stesso modo, le crepe che compaiono lungo i gradini guariscono facilmente perché i legami tra gli atomi sono abbastanza forti da superare la piccola distanza.

Vale la pena perseguire qualsiasi percorso verso la crescita su larga scala dei materiali 2-D per un esercito di applicazioni, secondo i ricercatori. Materiali 2-D come il grafene conduttivo, H-BN isolante e dicalcogenuri di metalli di transizione semiconduttori sono tutti oggetto di un attento esame da parte dei ricercatori di tutto il mondo. I ricercatori di Rice sperano che i loro modelli teorici indichino la strada verso grandi cristalli di molti tipi.