Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas e engenheiros da UCLA desenvolveu um método para fazer novos tipos de "superredes" artificiais - materiais compostos de camadas alternadas de folhas "bidimensionais" ultrafinas, que têm apenas um ou alguns átomos de espessura. Ao contrário das superredes de última geração atuais, em que camadas alternadas têm estruturas atômicas semelhantes, e, portanto, propriedades eletrônicas semelhantes, essas camadas alternadas podem ter estruturas radicalmente diferentes, propriedades e funções, algo não disponível anteriormente.

Por exemplo, enquanto uma camada deste novo tipo de superrede pode permitir um fluxo rápido de elétrons através dela, o outro tipo de camada pode atuar como isolante. Este projeto confina as propriedades eletrônicas e ópticas a camadas ativas únicas, e evita que interfiram com outras camadas isolantes.

Essas superredes podem formar a base para classes aprimoradas e novas de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. As aplicações incluem semicondutores super-rápidos e ultra-eficientes para transistores em computadores e dispositivos inteligentes, e LEDs e lasers avançados.

Em comparação com a montagem de camada por camada convencional ou abordagem de crescimento atualmente usada para criar superredes 2D, o novo processo liderado pela UCLA para fabricar superredes de materiais 2D é muito mais rápido e eficiente. Mais importante, o novo método produz facilmente superredes com dezenas, centenas ou mesmo milhares de camadas alternadas, o que ainda não é possível com outras abordagens.

Esta nova classe de superredes alterna folhas de cristal atômico 2D que são intercaladas com moléculas de formas e tamanhos variados. Com efeito, esta camada molecular torna-se a segunda "folha" porque é mantida no lugar por forças "van der Waals", forças eletrostáticas fracas para manter moléculas neutras "ligadas" umas às outras. Essas novas superredes são chamadas de "superredes moleculares de cristal atômico de monocamada".

O estudo, publicado em Natureza , foi liderado por Xiangfeng Duan, Professor de química e bioquímica da UCLA, e Yu Huang, Professor de ciência dos materiais e engenharia da UCLA na Escola de Engenharia da UCLA Samueli.

"As super-redes de semicondutores tradicionais geralmente só podem ser feitas de materiais com simetria de rede altamente semelhante, normalmente com estruturas eletrônicas bastante semelhantes, "Huang disse." Pela primeira vez, criamos estruturas super-rede estáveis ​​com camadas radicalmente diferentes, no entanto, arranjos atômicos-moleculares quase perfeitos dentro de cada camada. Esta nova classe de estruturas de superrede tem propriedades eletrônicas adaptáveis ​​para aplicações tecnológicas em potencial e estudos científicos adicionais. "

Um método atual para construir uma superrede é empilhar manualmente as camadas ultrafinas uma sobre a outra. Mas isso exige muito trabalho. Além disso, uma vez que as folhas em flocos são frágeis, leva muito tempo para construir porque muitas folhas se quebram durante o processo de colocação. O outro método é fazer crescer uma nova camada sobre a outra, usando um processo chamado "deposição de vapor químico". Mas, uma vez que isso significa condições diferentes, como calor, pressão ou ambientes químicos, são necessários para crescer cada camada, o processo pode resultar na alteração ou quebra da camada abaixo. Este método também exige muita mão-de-obra com baixas taxas de rendimento.

O novo método para criar superredes moleculares de cristal atômico monocamada usa um processo chamado "intercalação eletroquímica, "em que uma voltagem negativa é aplicada. Isso injeta elétrons carregados negativamente no material 2D. Então, isso atrai moléculas de amônio carregadas positivamente para os espaços entre as camadas atômicas. Essas moléculas de amônio se reúnem automaticamente em novas camadas na estrutura de cristal ordenada, criando uma superrede.

"Pense em um material bidimensional como uma pilha de cartas de jogar, "Duan disse." Então imagine que podemos fazer uma grande pilha de contas de plástico próximas se inserirem, em perfeita ordem, imprensando entre cada cartão. Essa é a ideia análoga, mas com um cristal de material 2D e moléculas de amônio. "

Os pesquisadores demonstraram pela primeira vez a nova técnica usando fósforo preto como material de cristal atômico 2D. Usando a tensão negativa, íons de amônio carregados positivamente foram atraídos para o material de base, e se inseriram entre as camadas de folhas de fósforo atômicas. "

Seguindo esse sucesso, a equipe inseriu diferentes tipos de moléculas de amônio com vários tamanhos e simetrias em uma série de materiais 2D para criar uma ampla classe de superredes. Eles descobriram que podiam adaptar as estruturas das superredes moleculares de cristal atômico de monocamada resultantes, que tinha uma gama diversificada de propriedades eletrônicas e ópticas desejáveis. "Os materiais resultantes podem ser úteis para fazer transistores mais rápidos que consomem menos energia, ou para a criação de dispositivos emissores de luz eficientes, "Duan disse.