Rice lab aggiunge "isole" metalliche ai semiconduttori bidimensionali per l'elettronica

Mettendosi in mezzo, gli atomi di fluoro aiutano un materiale bidimensionale a trasformarsi da semiconduttore a metallo in un modo che potrebbe essere molto utile per l'elettronica e altre applicazioni. Uno studio condotto dallo scienziato dei materiali della Rice Pulickel Ajayan e dall'autore principale Sruthi Radhakrishnan descrive in dettaglio un nuovo metodo per trasformare il disolfuro di tungsteno da semiconduttore a stato metallico.

Altri laboratori hanno ottenuto la trasformazione aggiungendo elementi al materiale - un processo noto come doping - ma il cambiamento non è mai stato stabile prima. Test e calcoli alla Rice hanno mostrato blocchi fluorurati al disolfuro di tungsteno nel nuovo stato, che ha proprietà ottiche e magnetiche uniche.

I ricercatori hanno anche notato l'effetto della trasformazione sul materiale tribologico proprietà - una misura dell'attrito, lubrificazione e usura. In breve, l'aggiunta di fluoro rende il materiale più scivoloso a temperatura ambiente.

Il lavoro del laboratorio è dettagliato in Materiale avanzato.

Il disolfuro di tungsteno è un dichalcogenide di metallo di transizione (TMD), un semiconduttore dello spessore di un atomo. A differenza del grafene, che è un reticolo piatto di atomi di carbonio, un TMD incorpora due elementi, uno a Metallo di transizione atomo (in questo caso, tungsteno) e l'altro (zolfo) un' calcogeno. Il materiale non è strettamente piatto; lo strato di metallo di transizione è inserito tra il calcogeno, formando un reticolo a tre strati.

I TMD sono potenziali elementi costitutivi con altri materiali 2D per lo stoccaggio di energia, elettrocatalisi e lubrificazione, che sono tutti influenzati dalla trasformazione di fase ormai stabile.

Perché gli atomi di fluoro sono molto più piccoli dello spazio di 0,6 nanometri tra gli strati di tungsteno e zolfo, i ricercatori hanno detto che gli atomi invasivi si fanno strada nel mezzo, interrompendo il reticolo ordinato del materiale. Il fluoro consente agli aerei di zolfo di planare in questo modo o in quello, e il conseguente scambio di elettroni tra il fluoro e lo zolfo spiega anche le proprietà uniche.

La fluorurazione del disolfuro di tungsteno bidimensionale aggiunge isole metalliche al semiconduttore sintetico, insieme a proprietà ottiche e magnetiche uniche, secondo i ricercatori della Rice University. Per gentile concessione dell'Ajayan Research Group

“È stata sicuramente una grande sorpresa. Quando abbiamo iniziato questo lavoro, una trasformazione di fase era l'ultima cosa che ci aspettavamo di vedere ". disse Radhakrishnan, un ex studente laureato nel laboratorio di Ajayan e ora ingegnere di moduli presso Intel Corp. a Hillsboro, Minerale.

"È davvero sorprendente che le caratteristiche di attrito del disolfuro di tungsteno fluorurato siano completamente diverse dal grafene fluorurato che è stato studiato prima,"Ha detto il coautore Tobin Filleter, professore associato di ingegneria meccanica presso l'Università di Toronto. "Questa è una motivazione per studiare materiali 2D simili per esplorare un comportamento così interessante".

I ricercatori hanno affermato che il fluoro non solo sembra diminuire il bandgap e rendere il materiale più conduttivo, ma causa anche difetti che creano "isole" metalliche lungo la superficie del materiale che mostrano anche proprietà paramagnetiche e ferromagnetiche. “Queste regioni di disolfuro di tungsteno metallico sono magnetiche e interferiscono tra loro, creando proprietà magnetiche interessanti,"Ha detto Radhakrishnan.

Ulteriore, perché gli atomi di fluoro sono elettricamente negativi, si sospetta anche che cambino la densità elettronica degli atomi vicini. Ciò cambia le proprietà ottiche del materiale, rendendolo un candidato per applicazioni di rilevamento e catalisi. Radhakrishnan ha suggerito che i materiali possono essere utili anche nella loro fase metallica come elettrodi per supercondensatori e altre applicazioni di accumulo di energia.

Radhakrishnan ha detto che diverse concentrazioni di fluoro alterano la proporzione di cambiamento rispetto alla fase metallica, ma il cambiamento è rimasto stabile in tutte e tre le concentrazioni studiate dal laboratorio.

“La trasformazione di fase, il cambiamento nelle proprietà con funzionalizzazione da fluoro e le sue modifiche magnetiche e tribologiche sono molto eccitanti,"Ha detto Ajayan. "Questo può essere esteso ad altri materiali stratificati 2D e sono sicuro che aprirà alcune applicazioni accattivanti."

I coautori dell'articolo sono Deya Das e Abhishek Singh dell'Indian Institute of Science; Liangzi Deng e Paul Chu, un professore di fisica presso l'Università di Houston; Filleter, Parambath Sudeep e Guillaume Colas dell'Università di Toronto; Sadegh Yazdi dell'Università del Colorado, Masso; Alumnus del riso Chandra Sekhar Tiwary dell'Indian Institute of Technology Kharagpur; e lo studente laureato Carlos de los Reyes e Angel Martí, un professore associato di chimica, bioingegneria e scienza dei materiali e nanoingegneria, di riso.

fonte: news.rice.edu, di Mike Williams