Una varietà di materiali bidimensionali che hanno proprietà promettenti per ottiche, elettronico, o le applicazioni optoelettroniche sono state frenate dal fatto che si degradano rapidamente se esposte all'ossigeno e al vapore acqueo. I rivestimenti protettivi sviluppati finora si sono rivelati costosi e tossici, e non può essere tolto.

Ora, un team di ricercatori del MIT e altrove ha sviluppato un rivestimento ultrasottile poco costoso, semplice da applicare, e può essere rimosso applicando determinati acidi.

Il nuovo rivestimento potrebbe aprire un'ampia varietà di potenziali applicazioni per questi "affascinanti" materiali 2-D, dicono i ricercatori. I loro risultati sono riportati questa settimana sul giornale PNAS , in un articolo dello studente laureato del MIT Cong Su; professori Ju Li, Jing Kong, Mircea Dinca, e Juejun Hu; e altri 13 al MIT e in Australia, Cina, Danimarca, Giappone, e il Regno Unito

Ricerca sui materiali 2-D, che formano fogli sottili dello spessore di uno o pochi atomi, è "un campo molto attivo, " dice Li. A causa delle loro insolite proprietà elettroniche e ottiche, questi materiali hanno applicazioni promettenti, come rilevatori di luce altamente sensibili. Ma molti di loro, compreso il fosforo nero e un'intera categoria di materiali noti come dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD), corrodersi se esposto all'aria umida o a vari prodotti chimici. Molti di loro si degradano significativamente in poche ore, precludendo la loro utilità per le applicazioni del mondo reale.

"È una questione chiave" per lo sviluppo di tali materiali, Li dice. "Se non puoi stabilizzarli in aria, la loro processabilità e utilità sono limitate." Uno dei motivi per cui il silicio è diventato un materiale così onnipresente per i dispositivi elettronici, lui dice, è perché forma naturalmente uno strato protettivo di biossido di silicio sulla sua superficie quando esposto all'aria, prevenendo un ulteriore degrado della superficie. Ma è più difficile con questi materiali atomicamente sottili, il cui spessore totale potrebbe essere anche inferiore allo strato protettivo di biossido di silicio.

Ci sono stati tentativi di rivestire vari materiali 2-D con una barriera protettiva, ma finora hanno avuto gravi limitazioni. La maggior parte dei rivestimenti è molto più spessa dei materiali 2-D stessi. La maggior parte sono anche molto fragili, formando facilmente crepe che lasciano passare il liquido o il vapore corrosivo, e molti sono anche piuttosto tossici, creando problemi di movimentazione e smaltimento.

Il nuovo rivestimento, basato su una famiglia di composti noti come alchilammine lineari, migliora su questi inconvenienti, dicono i ricercatori. Il materiale può essere applicato in strati ultrasottili, appena 1 nanometro (un miliardesimo di metro) di spessore, e l'ulteriore riscaldamento del materiale dopo l'applicazione guarisce minuscole crepe per formare una barriera contigua. Il rivestimento non solo è impermeabile a una varietà di liquidi e solventi, ma blocca anche in modo significativo la penetrazione dell'ossigeno. E, può essere rimosso in seguito se necessario da alcuni acidi organici.

"Questo è un approccio unico" per proteggere i fogli atomici sottili, Li dice, che produce uno strato extra spesso solo una singola molecola, noto come monostrato, che fornisce una protezione straordinariamente durevole. "Questo conferisce al materiale un fattore di durata di 100 volte maggiore, " lui dice, estendendo la lavorabilità e la fruibilità di alcuni di questi materiali da poche ore fino a mesi. E il composto di rivestimento è "molto economico e facile da applicare, " Aggiunge.

Oltre alla modellizzazione teorica del comportamento molecolare di questi rivestimenti, il team ha realizzato un fotorilevatore funzionante da scaglie di materiale TMD protetto con il nuovo rivestimento, come prova del concetto. Il materiale di rivestimento è idrofobo, nel senso che respinge fortemente l'acqua, che altrimenti si diffonderebbe nel rivestimento e dissolverebbe uno strato protettivo di ossido formato naturalmente all'interno del rivestimento, portando a una rapida corrosione.

L'applicazione del rivestimento è un processo molto semplice, Su spiega. Il materiale 2-D viene semplicemente posto in un bagno di esilammina liquida, una forma dell'alchilammina lineare, che forma il rivestimento protettivo dopo circa 20 minuti, a una temperatura di 130 gradi Celsius a pressione normale. Quindi, per produrre un liscio, superficie senza crepe, il materiale viene immerso per altri 20 minuti in vapore della stessa esilammina.

"Basta mettere il wafer in questo liquido chimico e lasciarlo scaldare, " Su dice. "Fondamentalmente, tutto qui." Il rivestimento "è abbastanza stabile, ma può essere rimosso da alcuni acidi organici molto specifici."

L'uso di tali rivestimenti potrebbe aprire nuove aree di ricerca su promettenti materiali 2-D, compresi i TMD e il fosforo nero, ma potenzialmente anche silicio, stanina, e altri materiali correlati. Poiché il fosforo nero è il più vulnerabile e facilmente degradabile di tutti questi materiali, questo è ciò che il team ha utilizzato per la loro prova iniziale di concetto.

Il nuovo rivestimento potrebbe fornire un modo per superare "il primo ostacolo all'utilizzo di questi affascinanti materiali 2-D, " dice Su. "In pratica, è necessario affrontare il degrado durante l'elaborazione prima di poterli utilizzare per qualsiasi applicazione, " e quel passo è ormai compiuto, lui dice.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.