I ricercatori della National University of Singapore (NUS) hanno creato una libreria completamente nuova di materiali bidimensionali (2-D) atomicamente sottili, battezzato "ic-2-D, " per denotare una classe di materiali basata sull'auto-intercalazione di atomi nativi nello spazio tra gli strati di cristalli.

I materiali bidimensionali (2-D) atomicamente sottili offrono un'eccellente piattaforma per esplorare un'ampia gamma di proprietà intriganti in sistemi 2-D confinati. Però, La messa a punto della composizione dei dicalcogenuri di metalli di transizione per creare nuovi materiali diversi dai composti binari o ternari standard è impegnativa. Nel passato, i teorici hanno cercato di prevedere nuove proprietà basate sulla combinazione di atomi in una struttura cristallina in cui gli atomi di metallo e calcogeno si trovano in siti legati in modo covalente all'interno del blocco costitutivo di base (cella unitaria). Però, le loro teorie non hanno affrontato la situazione in cui lo stesso atomo di metallo si trova tra due celle unitarie (riempiendo il divario di van der Waals).

Ora, gruppi di ricerca guidati dal Prof Kian Ping LOH del Dipartimento di Chimica, Facoltà di Scienze, NUS e collaboratore Prof Stephen J. PENNYCOOK del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Facoltà di Ingegneria, NU, hanno sintetizzato e caratterizzato per la prima volta, un atlante di materiali ic-2-D atomicamente sottili su scala wafer basato sull'inserimento degli stessi atomi di metallo tra il gap di van der Waals dei dichalcogenuri di metalli di transizione.

Osservando la crescita in condizioni in cui gli atomi di metallo sono in eccesso rispetto ai calcogeni (ad esempio Zolfo (S), selenio (Se), Tellurio (Te)), oltre 10 diversi tipi di materiali ic-2-D sono stati scoperti sperimentalmente dal team. Più eccitante, ferromagnetismo è stato rilevato in alcune fasi. Inoltre, calcoli teorici ad alta produttività mostrano che il metodo di auto-intercalazione è applicabile a un'ampia classe di materiali stratificati 2-D. Ciò significa che esiste una nuova libreria di materiali ic-2-D in attesa di essere scoperta.

Il professor Loh ha detto, "Questo nuovo metodo per ingegnerizzare la composizione di un'ampia classe di dicalcogenuri di metalli di transizione, offre un potente approccio per trasformare materiali 2-D stratificati in ultrasottili, cristalli ic-2-D legati in modo covalente con proprietà ferromagnetiche. Il principio principale è l'applicazione di atomi di metallo con un alto potenziale chimico per fornire la forza trainante per l'intercalazione durante la crescita. Questa tecnica dovrebbe essere compatibile con la maggior parte dei metodi di crescita dei materiali".

"Se uniamo due strati di dicalcogenuro di metallo di transizione un po' a parte, possiamo vedere i siti di calcogeno che hanno fessure come un portauovo. Un altro strato di atomi di metallo può occupare le fessure nello stesso modo in cui possiamo disporre le uova nel portauova. Questa è la magia dei materiali ic-2-D, " ha aggiunto il professor Pennycook.

Dott. ZHAO Xiaoxu, il primo autore del saggio, scoperto e svelato atomicamente questi nuovi materiali utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione a risoluzione atomica, e ha scoperto che gli atomi di metallo intercalati occupano costantemente i vuoti ottaedrici all'interno del divario di van der Waals risultando in modelli topografici distinti a seconda delle concentrazioni di intercalazione. A causa della topologia unica, il ferromagnetismo può essere indotto dal meccanismo del doppio scambio, innescato dal trasferimento di carica dal metallo intercalato al metallo incontaminato.

Il professor Loh ha commentato, "Con versatilità nel controllo della composizione, abbiamo dimostrato che è possibile sintonizzare, in una classe di materiali, proprietà che possono variare da ferromagnetiche a non ferromagnetiche, e reticoli Kagome spin-frustrati. Questa scoperta presenta un ricco panorama di materiali 2-D ultrasottili che attendono l'ulteriore scoperta di nuove proprietà".

Prossimo, i team prevedono di incorporare questa nuova libreria di materiali nei dispositivi di memoria, per applicazioni pratiche, e intercalare atomi estranei nel gap di van der Waals e sfruttare nuovi materiali ic-2-D funzionalizzati.