I materiali bidimensionali dei cristalli stratificati di van der Waals (vdW) sono molto promettenti per l'elettronica, optoelettronico, e dispositivi quantistici, ma la loro produzione/produzione è stata limitata dalla mancanza di tecniche ad alto rendimento per esfoliare monostrati monocristallini con dimensioni sufficienti e alta qualità. I ricercatori della Columbia University riferiscono oggi in Scienza che hanno inventato un nuovo metodo, utilizzando film d'oro ultrapiatti, per disassemblare i singoli cristalli vdW strato dopo strato in monostrati con resa quasi unitaria e con dimensioni limitate solo dalle dimensioni dei cristalli sfusi.

I monostrati generati con questa tecnica hanno la stessa alta qualità di quelli creati dall'esfoliazione convenzionale "Scotch tape", ma sono circa un milione di volte più grandi. I monostrati possono essere assemblati in strutture artificiali macroscopiche, con proprietà non facilmente create in cristalli sfusi cresciuti convenzionalmente. Ad esempio, strati di bisolfuro di molibdeno possono essere allineati l'uno con l'altro in modo che lo stack risultante manchi di simmetria speculare e, di conseguenza, dimostri una risposta ottica fortemente non lineare, dove assorbe la luce rossa ed emette luce ultravioletta, un processo noto come generazione di seconda armonica.

"Questo approccio ci avvicina di un passo alla produzione di massa di monostrati macroscopici e materiali artificiali sfusi con proprietà controllabili, " dice il co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica alla Columbia Engineering.

La scoperta di 15 anni fa che singoli fogli atomici di carbonio, il grafene, potevano essere facilmente separati dai cristalli sfusi di grafite e studiati come materiali bidimensionali perfetti è stata riconosciuta con il premio Nobel 2010 per la fisica. Da allora, ricercatori di tutto il mondo hanno studiato proprietà e applicazioni di un'ampia varietà di materiali 2-D, e ho imparato come combinare questi strati in eterostrutture impilate che sono essenzialmente nuovi materiali ibridi stessi. Il metodo originale del nastro adesivo sviluppato per il grafene, che utilizza un polimero adesivo per separare i cristalli, è facile da implementare ma non è ben controllato e produce fogli 2D di dimensioni limitate, in genere decine di micrometri di diametro, o la dimensione di una sezione trasversale di una singola ciocca di capelli.

Una delle principali sfide per il campo e la produzione futura è come portare questo processo a dimensioni molto più grandi in un processo deterministico che produce fogli 2D su richiesta. L'approccio dominante per aumentare la produzione di materiali 2-D è stata la crescita di film sottili, che ha prodotto grandi successi ma deve ancora affrontare sfide nella qualità dei materiali, riproducibilità, e le temperature richieste. Altri gruppi di ricerca hanno aperto la strada all'uso dell'oro per esfoliare grandi fogli 2-D, ma hanno utilizzato approcci che lasciano i fogli 2-D su substrati d'oro o comportano passaggi intermedi di evaporazione di atomi di oro caldo che danneggiano i materiali 2-D.

"Nel nostro studio, ci siamo ispirati all'industria dei semiconduttori, che rende i wafer di silicio ultrapuro utilizzati per i chip dei computer facendo crescere grandi cristalli singoli e tagliandoli in dischi sottili, " dice il capo PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professor di nanoscienze nel dipartimento di chimica della Columbia. "Il nostro approccio lo fa su scala atomica:iniziamo con un cristallo di elevata purezza di un materiale stratificato e rimuoviamo uno strato alla volta, ottenendo fogli 2-D di elevata purezza che hanno le stesse dimensioni del cristallo genitore."

I ricercatori hanno preso spunto dal metodo dello scotch, vincitore del premio Nobel, e hanno sviluppato un nastro dorato ultrapiatto invece del nastro adesivo polimerico. La superficie atomicamente piatta dell'oro aderisce fortemente e uniformemente alla superficie cristallina di un materiale 2-D e lo smonta strato per strato. Gli strati hanno le stesse dimensioni e dimensioni del cristallo originale, fornendo un grado di controllo ben oltre ciò che è possibile ottenere utilizzando lo scotch.

"Il metodo del nastro dorato è sufficientemente delicato che i fiocchi risultanti hanno la stessa qualità di quelli realizzati con la tecnica del nastro adesivo, "dice lo studioso postdottorato Fang Liu, l'autore principale della carta. "E ciò che è particolarmente eccitante è che possiamo impilare questi wafer atomicamente sottili in qualsiasi ordine e orientamento desiderato per generare una classe completamente nuova di materiali artificiali".

Il lavoro è stato svolto nel Centro per l'assemblaggio di precisione di solidi superstratici e superatomici, un Centro di ricerca sulla scienza e l'ingegneria dei materiali finanziato dalla National Science Foundation e guidato da Hone. Il progetto di ricerca ha utilizzato strutture condivise gestite dalla Columbia Nano Initiative.

Motivato dai recenti entusiasmanti progressi in "twistronics, " il team sta ora esplorando l'aggiunta di piccole rotazioni tra gli strati in questi materiali artificiali. In tal modo, sperano di ottenere su scala macro il notevole controllo sulle proprietà quantistiche come la superconduttività che è stata recentemente dimostrata in scaglie di dimensioni micrometriche. Stanno anche lavorando per ampliare la loro nuova tecnica in un metodo generale per tutti i tipi di materiali stratificati, e guardando alla potenziale automazione robotica per la produzione e la commercializzazione su larga scala.