p Materiais bidimensionais de cristais de van der Waals (vdW) em camadas são uma grande promessa para a eletrônica, optoeletrônico, e dispositivos quânticos, mas sua fabricação / fabricação tem sido limitada pela falta de técnicas de alto rendimento para esfoliar monocamadas de cristal único com tamanho suficiente e alta qualidade. Pesquisadores da Universidade de Columbia relatam hoje em Ciência que eles inventaram um novo método - usando filmes de ouro ultra-planos - para desmontar cristais únicos vdW camada por camada em monocamadas com rendimento próximo da unidade e com dimensões limitadas apenas pelos tamanhos de cristal em massa. p As monocamadas geradas com esta técnica têm a mesma alta qualidade que as criadas pela esfoliação convencional com "fita adesiva", mas são cerca de um milhão de vezes maiores. As monocamadas podem ser montadas em estruturas artificiais macroscópicas, com propriedades não facilmente criadas em cristais a granel cultivados convencionalmente. Por exemplo, camadas de dissulfeto de molibdênio podem ser alinhadas umas com as outras de modo que a pilha resultante carece de simetria de espelho e, como resultado, demonstra uma resposta óptica fortemente não linear, onde absorve luz vermelha e emite luz ultravioleta, um processo conhecido como geração de segundo harmônico.

p "Esta abordagem nos leva um passo mais perto da produção em massa de monocamadas macroscópicas e materiais artificiais em massa com propriedades controláveis, "diz o co-PI James Hone, Wang Fong-Jen Professor de Engenharia Mecânica na Columbia Engineering.

p A descoberta, 15 anos atrás, de que folhas atômicas únicas de carbono - grafeno - podiam ser facilmente separadas de cristais de grafite e estudadas como materiais 2-D perfeitos foi reconhecida com o prêmio Nobel de física de 2010. Desde então, pesquisadores em todo o mundo estudaram propriedades e aplicações de uma ampla variedade de materiais 2-D, e aprendeu como combinar essas camadas em heteroestruturas empilhadas que são essencialmente novos materiais híbridos. O método de fita adesiva original desenvolvido para o grafeno, que usa um polímero adesivo para separar os cristais, é fácil de implementar, mas não é bem controlado e produz folhas 2-D de tamanho limitado - normalmente dezenas de micrômetros de diâmetro, ou o tamanho de uma seção transversal de um único fio de cabelo.

p Um grande desafio para o campo e a fabricação futura é como aumentar esse processo para tamanhos muito maiores em um processo determinístico que produz folhas 2-D sob demanda. A abordagem dominante para aumentar a produção de materiais 2-D tem sido o crescimento de filmes finos, que rendeu grandes sucessos, mas ainda enfrenta desafios na qualidade do material, reprodutibilidade, e as temperaturas necessárias. Outros grupos de pesquisa foram os pioneiros no uso de ouro para esfoliar grandes folhas 2-D, mas usei abordagens que deixam as folhas 2-D em substratos de ouro ou envolvem etapas intermediárias de evaporação de átomos de ouro quente que danificam os materiais 2-D.

p "Em nosso estudo, fomos inspirados pela indústria de semicondutores, que torna os wafers de silício ultrapuros usados ​​para chips de computador, cultivando grandes cristais únicos e cortando-os em discos finos, "diz o PI Xiaoyang Zhu, Howard Family Professor de Nanociência no departamento de química de Columbia. "Nossa abordagem faz isso em escala atômica:começamos com um cristal de alta pureza de um material em camadas e removemos uma camada de cada vez, alcançar folhas 2-D de alta pureza com as mesmas dimensões do cristal original. "

p Os pesquisadores aproveitaram o método da fita adesiva ganhadora do prêmio Nobel e desenvolveram uma fita dourada ultrafina em vez da fita adesiva de polímero. A superfície de ouro atomicamente plana adere forte e uniformemente à superfície cristalina de um material 2-D e a desmonta camada por camada. As camadas têm o mesmo tamanho e dimensão do cristal original - proporcionando um grau de controle muito além do que é possível com a fita adesiva.

p "O método da fita dourada é suficientemente suave para que os flocos resultantes tenham a mesma qualidade daqueles feitos pela técnica da fita adesiva, "diz o pós-doutorado Fang Liu, o autor principal do artigo. "E o que é especialmente empolgante é que podemos empilhar essas bolachas atomicamente finas em qualquer ordem e orientação desejadas para gerar uma classe totalmente nova de materiais artificiais."

p O trabalho foi realizado no Centro de Montagem de Precisão de Sólidos Superstráticos e Superatômicos, um Centro de Pesquisa em Ciência e Engenharia de Materiais financiado pela National Science Foundation e liderado por Hone. O projeto de pesquisa utilizou instalações compartilhadas operadas pela Columbia Nano Initiative.

p Motivado pelos empolgantes avanços recentes em "twistrônica, "a equipe agora está explorando a adição de uma pequena rotação entre as camadas desses materiais artificiais. Ao fazer isso, eles esperam alcançar em uma escala macro o notável controle sobre as propriedades quânticas, como a supercondutividade, que foi recentemente demonstrada em flocos do tamanho de um micrômetro. Eles também estão trabalhando para ampliar sua nova técnica em um método geral para todos os tipos de materiais em camadas, e olhando para a automação robótica potencial para fabricação e comercialização em grande escala.