Un team di ricercatori di scienza dei materiali della Northwestern University ha sviluppato un nuovo metodo per visualizzare il movimento dinamico degli atomi in materiali 2-D atomicamente sottili. La tecnica dell'immagine, che rivela la causa alla base del fallimento delle prestazioni di un materiale 2-D ampiamente utilizzato, potrebbe aiutare i ricercatori a sviluppare materiali più stabili e affidabili per futuri dispositivi indossabili e dispositivi elettronici flessibili.

Questi materiali 2-D, come grafene e borofene, sono una classe di monostrato, materiali cristallini con un potenziale diffuso come semiconduttori in avanzati ultrasottili, elettronica flessibile. Eppure a causa della loro natura sottile, i materiali sono molto sensibili agli ambienti esterni, e hanno lottato per dimostrare stabilità e affidabilità a lungo termine quando utilizzati in dispositivi elettronici.

"I materiali 2-D atomicamente sottili offrono il potenziale per ridimensionare drasticamente i dispositivi elettronici, rendendoli un'opzione interessante per alimentare la futura elettronica indossabile e flessibile, " disse Vinayak Dravid, Abraham Harris Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering.

Lo studio, intitolato "Visualizzazione diretta della dinamica strutturale indotta dal campo elettrico nei dichalcogenuri di metalli di transizione monostrato, " è stato pubblicato l'11 febbraio sulla rivista ACS Nano . Dravid è l'autore corrispondente sulla carta. Chris Wolverton, il Jerome B. Cohen Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, anche contribuito alla ricerca.

"Sfortunatamente, i dispositivi elettronici ora funzionano come una sorta di "scatola nera". Sebbene le metriche del dispositivo possano essere misurate, il movimento dei singoli atomi all'interno dei materiali responsabili di queste proprietà è sconosciuto, che limita notevolmente gli sforzi per migliorare le prestazioni, "aggiunse Dravid, che ricopre il ruolo di direttore del Centro di caratterizzazione atomica e nanoscala della Northwestern University (NUANCE). La ricerca consente di superare questa limitazione con una nuova comprensione delle dinamiche strutturali in gioco all'interno dei materiali 2-D che ricevono tensione elettrica.

Basandosi su uno studio precedente in cui i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di imaging su nanoscala per osservare i guasti nei materiali 2-D causati dal calore, il team ha utilizzato un'alta risoluzione, metodo di imaging su scala atomica chiamato microscopia elettronica per osservare il movimento degli atomi nel bisolfuro di molibdeno (MoS2), un materiale ben studiato originariamente utilizzato come lubrificante secco in grassi e materiali di attrito che ha recentemente guadagnato interesse per le sue proprietà elettroniche e ottiche. Quando i ricercatori hanno applicato una corrente elettrica al materiale, hanno osservato i suoi atomi di zolfo altamente mobili muoversi continuamente verso aree vuote nel materiale cristallino, un fenomeno che hanno soprannominato, "danza atomica".

Quel movimento, a sua volta, ha causato la separazione dei bordi dei grani del MoS2, un difetto naturale creato nello spazio in cui due cristalliti all'interno del materiale si incontrano, formando stretti canali per il passaggio della corrente.

"Mentre questi confini di grano si separano, ti rimangono solo un paio di canali stretti, facendo aumentare la densità della corrente elettrica attraverso questi canali, " ha detto Akshay Murthy, un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Dravid e l'autore principale dello studio. "Ciò porta a densità di potenza più elevate e temperature più elevate in quelle regioni, che alla fine porta al fallimento del materiale."

"È potente essere in grado di vedere esattamente cosa sta succedendo su questa scala, " ha continuato Murthy. "Utilizzando tecniche tradizionali, potremmo applicare un campo elettrico a un campione e vedere cambiamenti nel materiale, ma non siamo riusciti a vedere cosa stava causando quei cambiamenti. Se non conosci la causa, è difficile eliminare i meccanismi di guasto o impedire che il comportamento vada avanti".

Con questo nuovo modo di studiare i materiali 2-D a livello atomico, il team ritiene che i ricercatori potrebbero utilizzare questo approccio di imaging per sintetizzare materiali meno soggetti a guasti nei dispositivi elettronici. Nei dispositivi di memoria, Per esempio, i ricercatori hanno potuto osservare come le regioni in cui sono archiviate le informazioni evolvono quando viene applicata la corrente elettrica e adattare il modo in cui tali materiali sono progettati per prestazioni migliori.

La tecnica potrebbe anche aiutare a migliorare una serie di altre tecnologie, dai transistor nella bioelettronica ai diodi emettitori di luce (LED) nell'elettronica di consumo alle celle fotovoltaiche che comprendono i pannelli solari.

"Riteniamo che la metodologia che abbiamo sviluppato per monitorare il comportamento dei materiali 2-D in queste condizioni aiuterà i ricercatori a superare le sfide in corso relative alla stabilità del dispositivo, " ha detto Murthy. "Questo progresso ci porta un passo avanti verso lo spostamento di queste tecnologie dal laboratorio al mercato".