Bidimensionale, i materiali stratificati sono molto promettenti per una serie di applicazioni, come piattaforme alternative per la prossima generazione di dispositivi logici e di memoria e dispositivi flessibili di accumulo di energia. C'è ancora molto, però, che rimane sconosciuto su di loro.

Due studi dal laboratorio di Judy Cha, Carol e Douglas Melamed Professore Associato di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali e membro dello Yale West Campus Energy Sciences Institute, rispondere ad alcune domande cruciali su questi materiali. Entrambi gli studi sono stati finanziati con sovvenzioni dell'Army Research Office (ARO), un elemento del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, e sono stati pubblicati in Materiali elettronici avanzati.

In un documento, Cha e il suo team di ricercatori, in collaborazione con i professori di chimica di Yale Nilay Hazari e Hailiang Wang, misurato sperimentalmente gli effetti di drogaggio precisi di piccole molecole su materiali 2-D, un primo passo verso la personalizzazione delle molecole per modulare le proprietà elettriche dei materiali 2-D. Nel farlo, hanno anche raggiunto una concentrazione di doping molto elevata.

Doping:aggiunta di impurità come boro o fosforo al silicio, per esempio, è essenziale per lo sviluppo di semiconduttori. Consente la regolazione delle densità dei portatori, il numero di elettroni e altri portatori di carica, per produrre un dispositivo funzionale. Metodi di doping convenzionali, però, tendono ad essere troppo energivori e potenzialmente dannosi per funzionare bene con i materiali 2-D.

Anziché, perché i materiali 2-D sono praticamente tutta la superficie, i ricercatori possono spruzzare piccole molecole note come donatori di elettroni organici (OED) sulle superfici, e attivare i materiali 2-D, ovvero creare funzionalizzazione della superficie. Grazie alla chimica organica, il metodo è straordinariamente efficace. Inoltre amplia notevolmente la scelta per il materiale utilizzato. Per questo studio, Cha usava bisolfuro di molibdeno (MoS ₂ ).

Però, per ottimizzare ulteriormente questi materiali, i ricercatori hanno bisogno di un maggiore livello di precisione. Devono sapere quanti elettroni ogni molecola dell'OED dona al materiale 2-D, e quante molecole sono necessarie in tutto.

"Facendo così, possiamo andare avanti e progettare correttamente, sapere come modificare le molecole e quindi aumentare le densità dei portatori, " disse Cha.

Per effettuare questa calibrazione, Cha e il suo team hanno utilizzato la microscopia a forza atomica presso l'Imaging Core al West Campus di Yale. Per il loro materiale, hanno raggiunto un'efficienza di drogaggio di circa un elettrone per molecola, che ha permesso loro di dimostrare il più alto livello di doping mai raggiunto in MoS2. Ciò è stato possibile solo grazie alle misurazioni precise che sono state condotte.

"Ora che conosciamo il potere del doping, non siamo più nello spazio oscuro di non sapere dove siamo, " ha detto. "Prima, potremmo drogarci ma non possiamo sapere quanto sia efficace quel doping. Ora abbiamo alcune densità di elettroni target che vogliamo raggiungere e sentiamo di sapere come arrivarci".

In un secondo documento, Il team di Cha ha esaminato gli effetti della sollecitazione meccanica sull'ordinamento del litio nelle batterie agli ioni di litio.

Le attuali batterie commerciali agli ioni di litio utilizzano la grafite come anodo. Quando il litio viene inserito negli spazi tra gli strati di grafene che compongono la grafite, le lacune devono espandersi per fare spazio agli atomi di litio.

"Quindi abbiamo chiesto 'E se interrompessi questa espansione?'", ha detto Cha. "Abbiamo scoperto che lo sforzo locale influisce sull'ordine degli ioni di litio. Gli ioni di litio vengono effettivamente rallentati".

Quando c'è una tensione di energia, il litio non è più in grado di muoversi liberamente come prima, e più energia è richiesta per forzare il litio nella sua configurazione preferita.

Calcolando gli effetti esatti dell'energia di deformazione, Il team di ricerca di Cha è stato in grado di dimostrare con precisione quanto rallentano gli atomi di litio.

Lo studio ha implicazioni più ampie, in particolare se il campo si allontana dalle batterie al litio a favore di quelle realizzate con altri materiali più facilmente reperibili, come sodio o magnesio, che può essere utilizzato anche per batterie ricaricabili.

"Il sodio e il magnesio sono molto più grandi, quindi il divario deve espandersi molto di più rispetto al litio, quindi gli effetti della tensione saranno molto più drammatici, " ha detto. Gli esperimenti nello studio forniscono una comprensione simile degli effetti che la deformazione meccanica potrebbe avere su questi altri materiali.

I ricercatori dell'ARO hanno affermato che gli studi di Cha saranno molto utili per far progredire il proprio lavoro.

"I risultati ottenuti in questi due studi relativi a nuovi materiali bidimensionali sono di grande importanza per sviluppare future applicazioni avanzate dell'esercito nel rilevamento e nello stoccaggio di energia, " ha detto il dottor Pani Varanasi, capo filiale, ARO.