Creare nuovi materiali combinando strati con proprietà uniche e benefiche sembra un processo abbastanza intuitivo:impila i materiali e accumula i vantaggi. Tuttavia, non è sempre così. Non tutti i materiali consentono all'energia di viaggiare attraverso di essi allo stesso modo, pertanto i vantaggi di un materiale vanno a scapito di quelli di un altro.
Utilizzando strumenti all'avanguardia, gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura utente del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory e l'Istituto di fisica sperimentale dell'Università di Varsavia hanno creato una nuova struttura a strati con Materiali 2D che mostrano un trasferimento unico di energia e carica. Comprendere le sue proprietà materiali può portare a progressi in tecnologie come le celle solari e altri dispositivi optoelettronici. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano Letters .
I dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) sono una classe di materiali strutturati come sandwich con strati atomicamente sottili. La carne di un TMD è un metallo di transizione, che può formare legami chimici con gli elettroni sulla loro orbita o guscio più esterno, come la maggior parte degli elementi, così come con il guscio successivo. Quel metallo è inserito tra due strati di calcogeni, una categoria di elementi che contiene ossigeno, zolfo e selenio.
I calcogeni hanno tutti sei elettroni nel loro guscio più esterno, il che rende il loro comportamento chimico simile. Ciascuno di questi strati di materiale ha lo spessore di un solo atomo, un milionesimo dello spessore di una ciocca di capelli umani, il che li rende definiti materiali bidimensionali (2D).
"A livello atomico, puoi vedere queste proprietà elettroniche uniche e sintonizzabili", ha affermato Abdullah Al-Mahboob, uno scienziato dello staff di Brookhaven nel gruppo CFN Interface Science and Catalysis. "I TMD sono come un parco giochi della fisica. Stiamo spostando energia da un materiale all'altro a livello atomico."
Alcune nuove proprietà iniziano ad emergere dai materiali su questa scala. Il grafene, ad esempio, è la versione 2D della grafite, il materiale di cui è fatta la maggior parte delle matite. In un esperimento vincitore del premio Nobel, gli scienziati hanno utilizzato un pezzo di nastro adesivo per staccare le scaglie di grafite per studiare uno strato di grafene. I ricercatori hanno scoperto che il grafene è incredibilmente forte a livello atomico:200 volte più forte dell’acciaio rispetto al suo peso. Inoltre, il grafene è un ottimo conduttore termico ed elettrico e ha uno spettro di assorbimento della luce unico. Ciò ha aperto la porta allo studio delle forme 2D di altri materiali e delle loro proprietà.
I materiali 2D sono interessanti di per sé, ma quando vengono combinati iniziano a succedere cose sorprendenti. Ogni materiale ha il suo superpotere (proteggere i materiali dall'ambiente, controllare il trasferimento di energia, assorbire la luce a frequenze diverse) e quando gli scienziati iniziano a impilarli insieme, creano quella che è nota come eterostruttura. Queste eterostrutture sono capaci di cose straordinarie e un giorno potrebbero essere integrate nelle tecnologie future, come componenti elettronici più piccoli e rilevatori di luce più avanzati.
Sebbene l’esplorazione di questi materiali possa essere iniziata con qualcosa di semplice come un pezzo di nastro adesivo, gli strumenti utilizzati per estrarre, isolare, catalogare e costruire materiali 2D sono diventati piuttosto avanzati. Al CFN, un intero sistema è stato dedicato allo studio di queste eterostrutture e alle tecniche utilizzate per crearle:la Quantum Material Press (QPress).
"È difficile paragonare il QPress a qualsiasi altra cosa", ha detto Suji Park, uno scienziato dello staff di Brookhaven specializzato in materiali elettronici. "Costruisce una struttura strato per strato, come una stampante 3D, ma le eterostrutture 2D sono costruite con un approccio completamente diverso. QPress crea strati di materiale spessi un atomo o due, li analizza, li cataloga e infine li assembla. Robotica viene utilizzato per fabbricare sistematicamente questi strati ultrasottili per creare nuove eterostrutture."
La QPress dispone di tre moduli personalizzati:esfoliatore, catalogatore e impilatore. Per creare strati 2D, gli scienziati utilizzano l'esfoliante. Similmente alla tecnica manuale del nastro adesivo, l'esfoliante è dotato di un gruppo di rulli meccanizzati che esfolia strati sottili da cristalli di origine più grandi con controlli che forniscono il tipo di precisione che non può essere ottenuta manualmente.
Una volta raccolti e distribuiti, i cristalli sorgente vengono pressati su un wafer di ossido di silicone e staccati. Vengono poi passati al catalogatore, un microscopio automatizzato che combina diverse tecniche di caratterizzazione ottica. Il catalogatore utilizza l'apprendimento automatico (ML) per identificare i fiocchi di interesse che vengono poi catalogati in un database. Attualmente, il machine learning viene addestrato solo con dati di grafene, ma i ricercatori continueranno ad aggiungere diversi tipi di materiali 2D. Gli scienziati possono utilizzare questo database per trovare i materiali in scaglie di cui hanno bisogno per le loro ricerche.
Quando i materiali necessari sono disponibili, gli scienziati possono utilizzare l'impilatore per fabbricare eterostrutture da essi. Utilizzando la robotica ad alta precisione, prendono i fiocchi di campione e li dispongono nell'ordine richiesto, con qualsiasi angolazione necessaria, e trasferiscono i substrati per creare l'eterostruttura finale, che può essere conservata a lungo termine in una libreria di campioni per un uso successivo.
Il clima è controllato per garantire la qualità dei campioni e il processo di fabbricazione dall'esfoliazione alla costruzione di eterostrutture viene condotto in un ambiente di gas inerte in un vano portaoggetti. Le scaglie esfoliate e i campioni impilati vengono conservati sotto vuoto, nelle librerie di campioni del cluster QPress.
Inoltre, nel lato vuoto del cluster sono disponibili strumenti per l'evaporazione del fascio di elettroni, la ricottura e il plasma di ossigeno. La robotica viene utilizzata per trasferire i campioni da un'area della QPress a quella successiva. Una volta che queste nuove eterostrutture sono state fabbricate, cosa fanno effettivamente e come lo fanno?
Dopo aver fabbricato questi nuovi affascinanti materiali con il QPress, il team del CFN ha integrato i materiali con una suite di strumenti avanzati di microscopia e spettroscopia che hanno consentito loro di esplorare le proprietà optoelettroniche senza esporre i campioni all'aria, che degraderebbe le strutture dei materiali. Alcune delle proprietà quantistiche delicate ed esotiche dei materiali 2D necessitano di essere rilevate a temperature criogeniche ultra basse, fino a pochi Kelvin. Altrimenti, vengono disturbati dalla minima quantità di calore o da qualsiasi sostanza chimica presente nell'aria.
Questa piattaforma includerà microscopi avanzati, spettrometri a raggi X e laser ultraveloci in grado di indagare il mondo quantistico a temperature criogeniche.
Utilizzando le capacità avanzate di queste risorse, il team è riuscito a ottenere un quadro più dettagliato di come funziona il trasferimento di energia a lunga distanza nei TMD.
L'energia vuole spostarsi attraverso i materiali, nel modo in cui una persona vuole salire una scala, ma ha bisogno di un posto a cui aggrapparsi. I bandgap possono essere considerati come lo spazio tra i pioli di una scala. Maggiore è il divario, più difficile e lenta sarà la salita. Se il divario è troppo ampio, potrebbe non essere nemmeno possibile completare la risalita. Utilizzando materiali che hanno già ottime proprietà conduttive, questo team specializzato di scienziati è stato in grado di impilarli in modo da sfruttare la loro struttura per creare percorsi che trasferiscono la carica in modo più efficiente.
Uno dei TMD creati dal team era il disolfuro di molibdeno (MoS2 ), che in studi precedenti aveva dimostrato di avere una forte fotoluminescenza. La fotoluminescenza è il fenomeno che fa brillare alcuni materiali al buio dopo essere stati esposti alla luce. Quando un materiale assorbe la luce con più energia di quella banda proibita, può emettere luce con energia fotonica pari all'energia della banda proibita.
Se un secondo materiale con una banda proibita di energia uguale o inferiore si avvicina al primo, da un sub-nanometro a pochi nanometri, l'energia può trasferirsi in modo non radiativo dal primo materiale al secondo. Il secondo materiale può quindi emettere luce con energia fotonica pari alla sua banda proibita di energia.
Con uno strato isolante fatto di nitruro di boro esagonale (hBN), che impedisce la conduttività elettronica, gli scienziati hanno osservato un tipo insolito di trasferimento di energia a lunga distanza tra questo TMD e uno fatto di diseleniuro di tungsteno (WSe2 ), che conduce l'elettricità in modo molto efficiente. Il processo di trasferimento di energia si è verificato dai materiali con bandgap da inferiore a superiore, il che non è tipico nelle eterostrutture TMD, dove il trasferimento di solito avviene dai materiali 2D con bandgap da superiore a inferiore.
Lo spessore dello strato intermedio ha giocato un ruolo importante, ma sembrava anche sfidare le aspettative. "Siamo rimasti sorpresi dal comportamento di questo materiale", ha detto Al-Mahboob. "L'interazione tra i due strati aumenta con l'aumento della distanza fino a un certo grado, e poi inizia a diminuire. Variabili come la spaziatura, la temperatura e l'angolo hanno svolto un ruolo importante."
Acquisendo una migliore comprensione di come questi materiali assorbono ed emettono energia su questa scala, gli scienziati possono applicare queste proprietà a nuovi tipi di tecnologie e migliorare quelle attuali. Questi potrebbero includere celle solari che assorbono la luce in modo più efficace e mantengono una carica migliore, fotosensori con maggiore precisione e componenti elettronici che possono essere ridotti a dimensioni ancora più piccole per dispositivi più compatti.
Ulteriori informazioni: Arka Karmakar et al, Scambio eccitonico ad alta dipendenza dall'eccitazione tramite trasferimento di energia tra strati da materiale 2D con banda proibita da inferiore a superiore, Nano lettere (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01127
Informazioni sul giornale: Nanolettere
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
