p Materiais bidimensionais são essenciais para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos ultracompactos, mas produzir materiais 2D sem defeitos é um desafio. Contudo, descoberta de novos tipos de defeitos nesses materiais 2D pode dar uma ideia de como criar materiais sem tais imperfeições, de acordo com um grupo de pesquisadores da Penn State. p "Os materiais 2D são novos materiais empolgantes para a eletrônica, e porque eles são tão magros, eles tornam possível encolher dispositivos a tamanhos muito pequenos, "disse Danielle Reifsnyder Hickey, Professor assistente de pesquisa em ciência e engenharia de materiais da Penn State. "Isso é fundamental para tornar os eletrônicos mais poderosos, de modo que possam lidar com mais dados. No entanto, é um grande desafio cultivar materiais 2D perfeitos em áreas grandes o suficiente para poder fazer grandes matrizes de dispositivos de alta qualidade. "

p Reifsnyder Hickey e a equipe de pesquisadores da Penn State descobriram novos tipos de defeitos que fornecem pistas para uma maneira de criar materiais 2D sem defeitos. O estudo apareceu recentemente em Nano Letras .

p "Encontramos novos defeitos que estão na escala de Angstrom, a um décimo de nanômetro, e fomos capazes de correlacionar a estrutura atômica a escalas muito grandes, em vários mícrons, "disse Nasim Alem, Professor associado de ciência e engenharia de materiais da Penn State e autor correspondente do estudo.

p A equipe estudou defeitos em filmes monocamada de dissulfeto de tungstênio cultivados pelo grupo de pesquisa de Joan Redwing, professor de ciência e engenharia de materiais, Estado de Penn. O dissulfeto de tungstênio pertence a uma classe de cristais 2D conhecidos como dichalcogenetos de metais de transição, que são cristais de três átomos de espessura que têm propriedades que os tornam ideais para o desenvolvimento da eletrônica do futuro.

p "As monocamadas de material 2D têm propriedades diferentes dos cristais em massa, "Reifsnyder Hickey disse." Por exemplo, eles têm lacunas de banda diretas e podem, portanto, ser usados ​​como materiais de transistores muito pequenos, e sua simetria de cristal permite novos tipos de dispositivos baseados em maiores graus de liberdade em relação aos seus equivalentes em massa. "

p Um gap direto é um recurso ideal para excitar um elétron em um estado de energia condutora para permitir o fluxo de eletricidade. Tecnologia de semicondutores, por exemplo, depende da manipulação de carga eletrônica dessa forma. Recentemente, graus de liberdade de giro e vale também se mostraram promissores em materiais 2D e podem ser manipulados para habilitar novos tipos de dispositivos. Por exemplo, orientar vários giros em um material pode levar ao magnetismo, e distribuir elétrons entre diferentes estados locais de energia mínima e máxima - vales - que possuem a mesma energia, mas ocorrem com diferentes valores de momento, pode permitir novas maneiras de processar e armazenar informações. Uma chave para desbloquear o potencial dessas propriedades é o cultivo de filmes sem defeitos, que pode ser alcançado apenas pela identificação e compreensão dos defeitos atômicos, como foi alcançado neste trabalho.

p Os defeitos que a equipe descobriu são conhecidos como limites de grão translacionais, que ocorrem na interface entre dois cristalitos que têm a mesma orientação, mas um deslocamento de translação. Tipicamente, limites de grãos conectam grãos com orientações diferentes e podem afetar as propriedades dos materiais, como condutividade térmica e elétrica, diminuindo seu valor para a eletrônica. Para investigar os limites de grão translacionais incomuns, a equipe usou uma combinação de imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura e uma simulação de campo de força reativa ReaxFF. ReaxFF foi desenvolvido por Adri van Duin, um distinto professor de engenharia mecânica da Penn State que também participou do estudo.

p A pesquisa descobriu que os limites translacionais de grão identificados existem como imperfeições sutis, mas generalizadas nos filmes de monocamada.

p "Por meio de uma abordagem sinérgica, fomos capazes de explicar nossos resultados experimentais usando simulações e descobrir o mecanismo de crescimento que leva a tal microestrutura, "Disse Alem." Este é um passo importante, porque ao aprender a física subjacente de crescimento e formação de defeitos, podemos aprender a modificá-los e controlá-los, e isso terá um efeito profundo nas propriedades eletrônicas do cristal. "

p Melhorar o material levaria a melhores eletrônicos, de acordo com Reifsnyder Hickey.

p "Esta investigação descobriu experimentalmente as estruturas e usou teoria e simulação para correlacionar sua formação com as condições de crescimento, "Reifsnyder Hickey disse." Agora, gostaríamos de implementar o que aprendemos, de modo que esses deslocamentos em grãos podem ser eliminados para formar filmes verdadeiramente monocristalinos grandes o suficiente para excelente eletrônica. Gostaríamos também de explorar as propriedades desses e de defeitos atômicos relacionados. "

p Ser capaz de produzir eletrônicos aprimorados com base em filmes de monocamada de dissulfeto de tungstênio com defeitos mínimos é uma boa notícia para uma sociedade cada vez mais visual, de acordo com Reifsnyder Hickey.

p "Algumas décadas atrás, era inédito assistir a um vídeo ao telefone, "Reifsnyder Hickey disse." Mas agora, consumimos muitas informações visualmente, especialmente com vídeos, incluindo notícias, comunicação e entretenimento. Como a eletrônica se tornou tão poderosa, somos capazes de transportar facilmente em nossos bolsos os dispositivos que permitem isso. Nossas descobertas podem levar a uma nova geração de tais dispositivos. "

p Outros pesquisadores da Penn State envolvidos no estudo incluem Nadire Nayir, Mikhail Chubarov, Tanushree H. Choudhury, Saiphaneendra Bachu, Leixin Miao, Yuanxi Wang, Chenhao Qian e Vincent H. Crespi.