Imagen de transformaciones estructurales en materiales 2D.

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¡De acuerdo! Imágenes anulares de microscopía electrónica de barrido de campo oscuro de una interfaz bicapa después de pulsos de calor a 500° (izquierda), 600° (centro) y 700° (derecha). Las líneas discontinuas de colores marcan las posiciones de la interfaz a medida que se desplaza con el calentamiento. Crédito: Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign

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Imágenes anulares de microscopía electrónica de barrido de campo oscuro de una interfaz bicapa después de pulsos de calor a 500° (izquierda), 600° (centro) y 700° (derecha). Las líneas discontinuas de colores marcan las posiciones de la interfaz a medida que se desplaza con el calentamiento. Crédito: Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign

La electrónica basada en silicio se está acercando a sus limitaciones físicas y se necesitan nuevos materiales para mantenerse al día con las demandas tecnológicas actuales. Los materiales bidimensionales (2D) tienen una rica variedad de propiedades, incluidas la superconductividad y el magnetismo, y son candidatos prometedores para su uso en sistemas electrónicos, como los transistores. Sin embargo, controlar con precisión las propiedades de estos materiales es extraordinariamente difícil.

En un esfuerzo por comprender cómo y por qué las interfaces 2D adoptan las estructuras que adoptan, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han desarrollado un método para visualizar la reorganización inducida térmicamente de materiales 2D, átomo por átomo, de retorcidos a estructuras alineadas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM).

Observaron un mecanismo nuevo e inesperado para este proceso en el que se sembraba un nuevo grano dentro de una monocapa, cuya estructura estaba modelada por la capa adyacente. Ser capaz de controlar el giro macroscópico entre capas permite un mayor control sobre las propiedades de todo el sistema.

Esta investigacióndirigido por el profesor de ciencia e ingeniería de materiales Pinshane Huang y el investigador postdoctoral Yichao Zhang, se publicó recientemente en la revista Science Advances.

“Es muy importante cómo se alinean las interfaces de la bicapa entre sí y mediante qué mecanismo se transforman en una configuración diferente”, dice Zhang. “Controla las propiedades de todo el sistema bicapa que, a su vez, afecta tanto a su comportamiento nanoescalar como microscópico”.

La estructura y las propiedades de las multicapas 2D suelen ser muy heterogéneas y varían ampliamente entre muestras e incluso dentro de una muestra individual. Dos dispositivos con sólo unos pocos grados de torsión entre capas podrían tener un comportamiento diferente. También se sabe que los materiales 2D se reconfiguran bajo estímulos externos como el calentamiento, que ocurre durante el proceso de fabricación de dispositivos electrónicos.

“La gente suele pensar que las dos capas son como dos hojas de papel torcidas 45° entre sí. Para que las capas pasen de torcidas a alineadas, basta con rotar toda la hoja de papel”, dice Zhang. “Pero lo que encontramos, en realidad, es que tiene un núcleo, un dominio alineado a nanoescala localizado, y este dominio crece cada vez más en tamaño. Dadas las condiciones correctas, este dominio alineado podría asumir todo el tamaño de la bicapa”.

Si bien los investigadores han especulado que esto podría suceder, no ha habido ninguna visualización directa a escala atómica que pruebe o refute la teoría. Zhang y los otros investigadores, sin embargo, pudieron rastrear directamente el movimiento de átomos individuales para ver crecer el pequeño dominio alineado. También observaron que podrían formarse regiones alineadas a temperaturas relativamente bajas, ~200°C, en el rango de temperaturas de procesamiento típicas para dispositivos 2D.

No existen cámaras lo suficientemente pequeñas y rápidas para capturar la dinámica atómica. ¿Cómo pudo entonces el equipo visualizar este movimiento átomo por átomo? La solución es muy singular. Primero encapsularon la bicapa retorcida en grafeno, esencialmente construyendo una pequeña cámara de reacción a su alrededor, para observar la bicapa en resolución atómica mientras se calentaba. La encapsulación con grafeno ayuda a mantener los átomos de la bicapa en su lugar para que se pueda observar cualquier transformación estructural en lugar de que la red sea destruida por los electrones de alta energía del TEM.

Luego, la bicapa encapsulada se colocó en un chip que podía calentarse y enfriarse rápidamente. Para capturar la rápida dinámica atómica, la muestra se sometió a pulsos de calor de medio segundo entre 100 y 1000 °C. Después de cada pulso, el equipo observaba dónde estaban los átomos usando TEM y luego repetía el proceso.

Más información:
Yichao Zhang et al, Imágenes átomo por átomo de transformaciones muaré en dicalcogenuros de metales de transición 2D, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adk1874

Información de la revista:
Avances científicos

2024-04-17 21:36:03
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#Imagen #transformaciones #estructurales #materiales