Ao criar cadeias atômicas em um cristal bidimensional, pesquisadores da Penn State acreditam que encontraram uma maneira de controlar a direção das propriedades dos materiais em cristais bidimensionais e tridimensionais com implicações na detecção, optoeletrônica e aplicações eletrônicas de última geração.

O fato de uma liga ter um arranjo aleatório de átomos ou um arranjo ordenado pode ter grandes efeitos nas propriedades de um material. Em um artigo publicado online em Nano Letras , Nasim Alem, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, e colegas da Penn State usaram uma combinação de simulações e imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) para determinar a estrutura atômica de uma liga ordenada de molibdênio, tungstênio e enxofre. Eles determinaram que as flutuações na quantidade de enxofre disponível eram responsáveis ​​pela criação de cadeias atômicas de molibdênio ou tungstênio.

"Descobrimos como as cadeias se formam em uma liga bidimensional como resultado de flutuações na quantidade de um precursor específico, neste caso enxofre, "disse Alem." Normalmente, quando combinamos átomos de elementos diferentes, não sabemos como controlar para onde irão os átomos. Mas encontramos um mecanismo para dar ordem aos átomos, que por sua vez introduz o controle das propriedades, não apenas transporte de calor, como é o caso neste trabalho, mas também eletrônico, propriedades químicas ou magnéticas em outros casos de liga. Se você conhece o mecanismo, você pode aplicá-lo para organizar os átomos em uma ampla gama de ligas em cristais 2D na tabela periódica. "

No caso do molibdênio, liga de tungstênio e enxofre, os pesquisadores mostraram que as propriedades eletrônicas eram as mesmas em todas as direções, mas usando simulações, eles preveem que as propriedades de transporte térmico são menores perpendiculares às correntes ou listras.

"Não sabíamos por que este cristal forma uma estrutura ordenada, então trabalhamos com meu colega Dr. Vin Crespi para entender a física subjacente que causa ordem neste cristal, "disse Alem." Nossos cálculos mostram que foram as flutuações do terceiro elemento, enxofre, isso estava determinando como as cadeias se formaram. "

Vincent H. Crespi, distinto professor de física, e professor de química e ciência de materiais e engenharia, que desenvolveu a compreensão teórica do fenômeno, disse, "Embora o interior do floco seja indiferente ao fato de molibdênio ou tungstênio ocupar qualquer local na estrutura do cristal, a borda do cristal em crescimento se importa:dependendo de quanto enxofre está disponível em um determinado local, a borda preferirá ser 100% molibdênio ou 100% tungstênio. Assim, como a disponibilidade de enxofre varia aleatoriamente durante o crescimento, o sistema estabelece alternadamente linhas de molibdênio ou tungstênio. Achamos que este pode ser um mecanismo geral para criar estruturas semelhantes a faixas em materiais 2D. "

Amin Aziz, um Ph.D. candidato no grupo de Alem e autor principal, produziu a imagem STEM e espectroscopia que mostrou a estrutura atômica fina das amostras de liga e suas propriedades eletrônicas.

"Quando somos capazes de criar imagens diretas dos átomos constitutivos de uma substância, veja como eles interagem uns com os outros no nível atômico e tente entender as origens de tais comportamentos, poderíamos potencialmente criar novos materiais com propriedades incomuns que nunca existiram, "disse Azizi.

Uma equipe liderada por Mauricio Terrones, professor de física, produziu amostras desta liga ordenada por vaporização de pós de todos os três elementos, chamados precursores, sob alta temperatura.