Los defectos del sustrato son la clave para el crecimiento de los materiales 2D
La creación de materiales bidimensionales lo suficientemente grandes como para utilizarlos en electrónica es un reto a pesar de los enormes esfuerzos, pero ahora, los investigadores de Penn State han descubierto un método para mejorar la calidad de una clase de materiales 2D, con potencial para lograr un crecimiento de la escala de obleas en el futuro.
Gráfico que muestra una superficie de nitruro de boro con átomos de tungsteno anclando dominios triangulares que ilustran el control de defectos de la orientación.
Xiaotian Zhang/Penn State
El campo de los materiales 2D con propiedades inusuales ha explotado en los 15 años transcurridos desde que Konstantin Novoselov y Andre Geim extrajeron una sola capa atómica de átomos de carbono del grafeno a granel utilizando cinta adhesiva simple. Aunque se ha realizado una gran cantidad de ciencia sobre estos pequeños fragmentos de grafeno, las capas de tamaño industrial son difíciles de cultivar.
De los materiales previstos para la electrónica de próxima generación, un grupo de semiconductores llamados dicalcogenuros de metales de transición están a la vanguardia. Los TMDs tienen sólo unos pocos átomos de espesor, pero son muy eficientes en la emisión de luz, lo que los hace candidatos para la optoelectrónica, tales como diodos emisores de luz, fotodetectores o emisores de un solo fotón.
"Nuestro objetivo final es hacer películas monocapa de láminas de diseleniuro de tungsteno o de disulfuro de molibdeno, y depositarlas utilizando la deposición química de vapor de tal manera que obtengamos una capa cristalina perfecta sobre una oblea entera", dijo Joan Redwing, profesor de ciencia de materiales y electrónica, y director del Consorcio de Cristal 2D de Penn State, una plataforma de innovación de materiales de la Fundación Nacional de Ciencia.
El problema viene de la forma en que los átomos se organizan cuando se depositan sobre un sustrato estándar, como el zafiro. Debido a la estructura cristalina de los TMD, forman triángulos a medida que comienzan a extenderse a través del sustrato. Los triángulos pueden orientarse en direcciones opuestas, con igual probabilidad. Cuando chocan y se funden entre sí para formar una hoja continua, el límite que forman es como un gran defecto que reduce drásticamente las propiedades electrónicas y ópticas del cristal.
"Cuando los portadores de carga, como los electrones o los agujeros, encuentran este defecto, llamado límite del dominio de inversión, pueden dispersarse", dijo Redwing. "Este ha sido un problema clásico con el crecimiento de TMD."
En publicaciones recientes en las revistas ACS Nano y Physical Review B, los investigadores de los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Física, Química e Ingeniería y Mecánica de Penn State muestran que si los TMDs se cultivan en una superficie de nitruro de boro hexagonal, el 85 por ciento o más apuntará en la misma dirección. Vin Crespi, distinguido profesor de física, ciencias de los materiales e ingeniería y química, y su grupo realizaron simulaciones para explicar por qué sucedió esto. Encontraron que las vacantes en la superficie hexagonal de nitruro de boro, donde faltaba un átomo de boro o nitrógeno, podían atrapar un átomo metálico - tungsteno o molibdeno - y servir para orientar los triángulos en una dirección preferida. El material mejorado mostró un aumento en la emisión de fotoluminiscencia y un orden de magnitud en la movilidad de los electrones en comparación con los TMDs 2D cultivados en zafiro.
"Nuestro próximo paso es desarrollar un proceso para cultivar nitruro de boro hexagonal a través de una escala de obleas", dijo Redwing. "En eso es en lo que estamos trabajando ahora. Es difícil controlar los defectos y cultivar una sola capa de cristal a través de una gran superficie. Muchos grupos están trabajando en esto."
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