Se revela un nuevo mecanismo de dos pasos en la formación de materiales bidimensionales
Nuevo método de control y análisis
Los materiales bidimensionales son increíblemente finos. Los materiales bidimensionales, que suelen tener un grosor de sólo un átomo, presentan propiedades muy deseables para las tecnologías avanzadas, como la flexibilidad y la superconductividad, entre otras. Fabricados a partir de una cuidadosa transición de componentes individuales de gas o vapor a sólidos cristalinos, estos materiales y los mecanismos por los que se impregnan de tales características siguen estando rodeados de misterio.
Monocapa típica y monocristal de WS2 crecido por nuestro método
Toshiaki Kato
Ahora, gracias a un novedoso método de seguimiento y análisis, los investigadores dirigidos por Toshiaki Kato, de la Universidad de Tohoku, han revelado un mecanismo crítico en el desarrollo de los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) monocapa 2D. Publicaron su método y sus conclusiones el 15 de noviembre en Scientific Reports.
"Los TMD se encuentran entre los materiales estratificados más conocidos", afirma el autor del artículo, Toshiaki Kato, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Tohoku, y señala que la adición de sales permite crear grandes capas individuales del material. "Mejorar la calidad del TMD es necesario para realizar futuros dispositivos eléctricos flexibles y transparentes, como sensores, células solares y emisores de luz".
Los TMD se desarrollan mediante la vaporización de un polvo de óxido metálico y la adición de sales. Los métodos convencionales mantienen altas temperaturas, lo que obliga a las moléculas del vapor de óxido metálico-sal a reordenarse directamente en un sólido cristalino. Este reordenamiento de las moléculas se conoce como nucleación, y crece hasta convertirse en el TMD monocapa. Sin embargo, la reducción de los puntos de fusión y ebullición del óxido metálico mejora esta transición al permitir que las moléculas vaporizadas sobresaturen su entorno y produzcan una fase líquida antes de organizarse en un sólido.
"La sobresaturación del óxido metálico en la fase de vapor favorece la creación de precursores en fase líquida, lo que se conoce como charco de precursores, que favorece el crecimiento vapor-líquido-sólido sobre el crecimiento convencional vapor-sólido", dijo Kato, señalando que la tasa de crecimiento de los TMD vapor-líquido-sólido es al menos dos órdenes de magnitud mayor que la de los TMD vapor-sólido. "A pesar de este progreso, aún no se ha dilucidado la dinámica crítica de la fase de nucleación para el crecimiento asistido por sales; conseguirlo es crucial tanto para las aplicaciones fundamentales como para las industriales".
Para comprender mejor la nucleación de los TMD de vapor-líquido-sólido, los investigadores establecieron un sistema de monitorización por imágenes de cómo los productos químicos de vapor se depositan como sólido en la síntesis de TMD.
"En este estudio, realizamos la visualización directa de la transición de fase de precursores líquidos a TMD sólidos mediante la monitorización de la deposición química de vapor y el análisis automatizado de imágenes", dijo Kato. "Mediante este enfoque, descubrimos un novedoso mecanismo de nucleación".
En el crecimiento vapor-sólido, las moléculas del vapor se reorganizan directamente en el sólido. Los investigadores descubrieron que, en el crecimiento vapor-líquido-sólido, las moléculas pasan por un proceso de nucleación de dos pasos: El vapor se transforma en gotas de líquido, que se forman en racimos estables pero cambiantes. Al cambiar la temperatura, los racimos de moléculas forman los sólidos cristalinos.
"Este conocimiento detallado de la dinámica de nucleación de los TMD puede ser útil para lograr un control prefecto de la estructura de los TMD, lo que sería útil para futuras aplicaciones industriales", dijo Kato. "Nuestro método inventado de monitorización de la deposición química de vapor y el análisis automatizado de imágenes también podría aplicarse a otros nanomateriales para comprender más profundamente sus mecanismos de nucleación y crecimiento".
Los investigadores planean explotar el mecanismo de nucleación recién revelado para sintetizar TMD de altísima calidad.
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