¿Cómo se puede perforar una capa atómica de material y dejar la de abajo intacta?

El arte de hacer pequeños agujeros: Los científicos desarrollaron una técnica para procesar superficies a escala atómica

04.08.2020 - Austria

Nadie puede disparar una bala de pistola a través de un plátano de tal manera que la piel se perfore pero el plátano permanece intacto. Sin embargo, a nivel de las capas atómicas individuales, tal hazaña se ha logrado ahora - se ha desarrollado un método de nanoestructuración en la TU Wien (Viena), con el cual ciertas capas de material pueden ser perforadas con extrema precisión y otras dejadas completamente intactas, aunque el proyectil penetre en todas las capas.

Esto es posible con la ayuda de iones altamente cargados. Pueden utilizarse para procesar selectivamente las superficies de los nuevos sistemas de materiales 2D, por ejemplo para anclar ciertos metales en ellos, que pueden servir luego como catalizadores.

Nuevos materiales de capas ultrafinas

Los materiales compuestos por varias capas ultrafinas se consideran un nuevo y apasionante campo de investigación de materiales. Desde que se produjo por primera vez el material de alto rendimiento, el grafeno, que consiste en una sola capa de átomos de carbono, se han desarrollado muchos nuevos materiales de película delgada, a menudo con nuevas y prometedoras propiedades.

Se crea por primera vez el "material milagroso de la próxima generación", largamente hipotizado

Los científicos han sintetizado con éxito el grafeno, sobre el que se ha teorizado durante décadas pero que nunca se ha logrado producir.

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"Investigamos una combinación de grafeno y disulfuro de molibdeno. Las dos capas de material se ponen en contacto y luego se adhieren entre sí por las débiles fuerzas de van der Waals", dice la Dra. Janine Schwestka del Instituto de Física Aplicada de la Universidad de Wisconsin y primera autora de la presente publicación. "El grafeno es un muy buen conductor, el bisulfuro de molibdeno es un semiconductor, y la combinación podría ser interesante para la producción de nuevos tipos de dispositivos de almacenamiento de datos".

Sin embargo, para ciertas aplicaciones, la geometría del material necesita ser procesada específicamente a escala de nanómetros - por ejemplo, para cambiar las propiedades químicas añadiendo tipos adicionales de átomos o para controlar las propiedades ópticas de la superficie. "Hay diferentes métodos para esto", explica Janine Schwestka. "Puedes modificar las superficies con un haz de electrones o con un haz de iones convencional. Sin embargo, con un sistema de dos capas, siempre existe el problema de que el haz afecta a ambas capas al mismo tiempo, incluso si se supone que sólo una de ellas debe ser modificada.

Dos tipos de energía

Cuando se utiliza un haz de iones para tratar una superficie, suele ser la fuerza del impacto de los iones la que afecta al material. En el TU Wien, sin embargo, se utilizan iones relativamente lentos, que tienen una carga multiplicada. "Aquí deben distinguirse dos formas diferentes de energía", explica el Prof. Richard Wilhelm. "Por un lado, está la energía cinética, que depende de la velocidad de impacto de los iones en la superficie. Por otro lado, está la energía potencial, que está determinada por la carga eléctrica de los iones. Con los haces de iones convencionales, la energía cinética juega un papel decisivo, pero para nosotros la energía potencial es particularmente importante".

Hay una importante diferencia entre estas dos formas de energía: Mientras que la energía cinética se libera en ambas capas materiales al penetrar en el sistema de capas, la energía potencial puede distribuirse de forma muy desigual entre las capas: "El disulfuro de molibdeno reacciona muy fuertemente a los iones altamente cargados", dice Richard Wilhelm. "Un solo ión que llegue a esta capa puede eliminar docenas o cientos de átomos de la capa. Lo que queda es un agujero, que puede verse muy claramente bajo un microscopio electrónico." La capa de grafeno, por otro lado, que el proyectil golpea inmediatamente después, permanece intacta: la mayor parte de la energía potencial ya ha sido liberada.

El mismo experimento también puede invertirse, de modo que el ión altamente cargado golpee primero el grafeno y sólo después la capa de disulfuro de molibdeno. En este caso, ambas capas permanecen intactas: el grafeno proporciona al ión los electrones necesarios para neutralizarlo eléctricamente en una diminuta fracción de segundo. La movilidad de los electrones en el grafeno es tan alta que el punto de impacto también se "enfría" inmediatamente. El ión cruza la capa de grafeno sin dejar un rastro permanente. Después, ya no puede causar mucho daño en la capa de disulfuro de molibdeno.

"Esto nos proporciona ahora un nuevo y maravilloso método para manipular las superficies de forma dirigida", dice Richard Wilhelm. "Podemos añadir nanoporos a las superficies sin dañar el material del sustrato debajo. Esto nos permite crear estructuras geométricas que antes eran imposibles". De esta manera, se podrían crear "máscaras" a partir de disulfuro de molibdeno perforado exactamente como se desea, en las que se depositan ciertos átomos de metal. Esto abre posibilidades completamente nuevas para controlar las propiedades químicas, electrónicas y ópticas de la superficie.

"Estamos muy contentos de que nuestras excelentes colaboraciones a través del Colegio Doctoral TU-D hayan podido contribuir significativamente a estos resultados", dice Janine Schwestka, que fue miembro del TU-D durante más de tres años. "Además, distingue a Viena como lugar para la ciencia y la investigación el hecho de que hayamos podido establecer contactos con la Universidad de Viena a través de distancias cortas para profundizar nuestra experiencia conjunta y complementarnos mutuamente de manera metódica".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.