(Phys.org) —Em uma nova pesquisa pioneira na Universidade de Columbia, cientistas desenvolveram cristais de dissulfeto de molibdênio (MoS2) de alta qualidade, o semicondutor mais fino do mundo, e estudou como esses cristais se juntam na escala atômica para formar folhas contínuas. Por meio de belas imagens de estrelas e triângulos incrivelmente simétricos com centenas de mícrons de diâmetro, eles descobriram os principais insights sobre as propriedades ópticas e eletrônicas deste novo material, que pode ser condutor ou isolante para formar a "chave liga-desliga" básica para todos os eletrônicos digitais. O estudo foi publicado em 5 de maio, 2013, emissão de Materiais da Natureza .
"Nossa pesquisa é a primeira a examinar sistematicamente quais tipos de defeitos resultam desses grandes crescimentos, e investigar como esses defeitos mudam suas propriedades, "diz James Hone, professor de engenharia mecânica na Columbia Engineering, quem conduziu o estudo. "Nossos resultados ajudarão a desenvolver maneiras de usar este novo material em eletrônicos atomicamente finos que se tornarão componentes integrantes de toda uma nova geração de produtos revolucionários, como células solares flexíveis que se adaptam à carroceria de um carro."
Esta colaboração multidisciplinar do Energy Frontier Research Center da Columbia University com o Kavli Institute for Nanoscale Science da Cornell University enfocou o dissulfeto de molibdênio devido ao seu potencial para criar desde altamente eficiente, células solares flexíveis para telas de toque adaptáveis. Trabalhos anteriores da Columbia demonstraram que a monocamada MoS2 tem uma estrutura eletrônica distinta da forma em massa, e os pesquisadores estão entusiasmados com a exploração de outros dichalcogenetos de metal atomicamente finos, que deve ter propriedades igualmente interessantes. MoS2 está em uma classe de materiais chamados dichalcogenetos de metais de transição, que podem ser metais, semicondutores, dielétricos, e até supercondutores.
"Este material é o mais novo em uma família crescente de cristais bidimensionais, "diz Arend van der Zande, pesquisador do Columbia Energy Frontier Research Center e um dos três principais autores do artigo. "Grafeno, uma única folha de átomos de carbono, é o condutor elétrico mais fino que conhecemos. Com a adição de dissulfeto de molibdênio em monocamada e outros dichalcogenetos de metal, temos todos os blocos de construção para a eletrônica moderna que devem ser criados em uma forma atomicamente fina. Por exemplo, agora podemos imaginar o sanduíche de dois dichalcogenetos de metal de transição monocamada diferentes entre as camadas de grafeno para fazer células solares com apenas oito átomos de espessura - 20 mil vezes menores do que um fio de cabelo humano! "
Até o ano passado, a maioria dos experimentos estudando MoS2 foi feita por um processo chamado esfoliação mecânica, que produz amostras de apenas alguns micrômetros de tamanho. "Embora esses espécimes minúsculos sejam bons para estudos científicos, "observa Daniel Chenet, um PhD no laboratório de Hone e outro autor principal, "eles são pequenos demais para serem usados em qualquer aplicação tecnológica. Descobrir como cultivar esses materiais em grande escala é fundamental."
Para estudar o material, os pesquisadores refinaram uma técnica existente para crescer, cristais simétricos de até 100 mícrons de diâmetro, mas apenas três átomos de espessura. "Se pudéssemos expandir um desses cristais até a espessura de uma folha de plástico, seria grande o suficiente para cobrir um campo de futebol - e não teria átomos desalinhados, "diz Pinshane Huang, um estudante de PhD no laboratório David Muller em Cornell e o terceiro autor principal do artigo.
Para uso em muitos aplicativos, esses cristais precisam ser unidos em folhas contínuas, como remendos em uma colcha. As conexões entre os cristais, chamados limites de grãos, pode ser tão importante quanto os próprios cristais na determinação do desempenho do material em grande escala. "Os limites dos grãos tornam-se importantes em qualquer tecnologia, "diz Hone." Diga, por exemplo, queremos fazer uma célula solar. Agora precisamos ter medidores deste material, não micrômetros, e isso significa que haverá milhares de limites de grãos. Precisamos entender o que eles fazem para que possamos controlá-los. "
A equipe usou microscopia eletrônica de resolução atômica para examinar os limites dos grãos deste material, e viu linhas de átomos desalinhados. Assim que souberam onde encontrar os limites dos grãos, e como eles eram, a equipe poderia estudar o efeito de um único limite de grão nas propriedades do MoS2. Para fazer isso, eles construíram pequenos transistores, o componente mais básico de toda a eletrônica, fora dos cristais e vi que o único, Uma linha defeituosa de átomos nos limites dos grãos pode alterar drasticamente as principais propriedades eletrônicas e ópticas do MoS2.
“Fizemos muitos progressos no controle do crescimento deste novo nanomaterial 'maravilhoso' e agora estamos desenvolvendo técnicas para integrá-lo a muitas novas tecnologias, "Hone acrescenta." Estamos apenas começando a arranhar a superfície do que podemos fazer com esses materiais e quais são suas propriedades. Por exemplo, podemos facilmente remover este material do substrato de crescimento e transferi-lo para qualquer superfície arbitrária, o que nos permite integrá-lo em grande escala, eletrônica flexível e células solares. "
A síntese de cristal, medições ópticas, medições eletrônicas, e a teoria foram todas realizadas por grupos de pesquisa da Columbia Engineering. O crescimento e as medições elétricas foram feitas pelo laboratório Hone em engenharia mecânica; as medições ópticas foram realizadas no laboratório de física Tony Heinz. A modelagem estrutural e os cálculos da estrutura eletrônica foram realizados pelo laboratório de química David Reichman. A microscopia eletrônica foi realizada por especialistas em imagens atômicas no laboratório David Muller da Escola de Física Aplicada e de Engenharia da Universidade Cornell, e o Instituto Kavli em Cornell for Nanoscale Science.
