Un ión muy cargado que golpea un material que consta de varias capas. Crédito: TU Wien
¿Cómo se puede perforar una capa atómica de material y dejar intacta la que está debajo? Los científicos de TU Wien (Viena) desarrollaron una técnica para procesar superficies a escala atómica.
Nadie puede disparar una bala de pistola a través de un plátano de tal manera que se perfora la piel pero el plátano permanece intacto. Sin embargo, en el nivel de las capas atómicas individuales, ahora se ha logrado tal hazaña: se ha desarrollado un método de nanoestructuración en TU Wien (Viena), con el cual ciertas capas de material pueden perforarse con extrema precisión y otras dejarlas completamente intactas. aunque el proyectil penetra todas las capas. Esto es posible gracias a la ayuda de iones muy cargados. Se pueden utilizar para procesar selectivamente las superficies de nuevos sistemas de materiales 2D, por ejemplo, para anclar ciertos metales sobre ellos, que luego pueden servir como catalizadores. El nuevo método ya se ha publicado en la revista ACS Nano.
Nuevos materiales a partir de capas ultrafinas
Los materiales que se componen de varias capas ultrafinas se consideran un nuevo y apasionante campo de investigación de materiales. Desde que el material de alto rendimiento grafeno se produjo por primera vez, que consta de una sola capa de átomos de carbono, se han desarrollado muchos nuevos materiales de película delgada, a menudo con nuevas propiedades prometedoras.
El proyectil penetra todas las capas, pero solo en la capa superior, se crea un gran agujero. El grafeno de abajo permanece intacto. Crédito: TU Wien
“Investigamos una combinación de grafeno y disulfuro de molibdeno. Las dos capas de material se ponen en contacto y luego se adhieren entre sí mediante fuerzas débiles de van der Waals ”, dice la Dra. Janine Schwestka del Instituto de Física Aplicada de TU WIen y primera autora de la publicación actual. “El grafeno es un muy buen conductor, el disulfuro 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 debe procesarse específicamente en una escala de nanómetros, por ejemplo, para cambiar las propiedades químicas agregando tipos adicionales de átomos o para controlar las propiedades ópticas de la superficie. “Hay diferentes métodos para esto”, explica Janine Schwestka. “Puede 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 rayo afecta a ambas capas al mismo tiempo, incluso si se supone que solo una de ellas debe modificarse.
De izquierda a derecha: Prof. F. Aumayr, Dr. J. Schwestka, DI A. Niggas, Prof. RA Wilhelm. Crédito: TU Wien
Dos tipos de energia
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 TU Wien, sin embargo, se utilizan iones relativamente lentos, que tienen carga múltiple. “Aquí deben distinguirse dos formas diferentes de energía”, explica el profesor Richard Wilhelm. “Por un lado, está la energía cinética, que depende de la velocidad a la que los iones impactan 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 ”.
Existe una diferencia importante entre estas dos formas de energía: mientras que la energía cinética se libera en ambas capas de material al penetrar en el sistema de capas, la energía potencial puede distribuirse de manera muy desigual entre las capas: “El disulfuro de molibdeno reacciona muy fuertemente a iones cargados ”, dice Richard Wilhelm. “Un solo ion que llega a esta capa puede eliminar decenas o cientos de átomos de la capa. Lo que queda es un agujero, que puede verse muy claramente con 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 se ha liberado.
El mismo experimento también se puede revertir, de modo que el ión altamente cargado golpee primero el grafeno y solo luego la capa de disulfuro de molibdeno. En este caso, ambas capas permanecen intactas: el grafeno proporciona al ion los electrones necesarios para neutralizarlo eléctricamente en una pequeña fracción de segundo. La movilidad de los electrones en el grafeno es tan alta que el punto de impacto también se “enfría” inmediatamente. El ion atraviesa la capa de grafeno sin dejar un rastro permanente. Posteriormente, ya no puede causar mucho daño en la capa de bisulfuro de molibdeno.
“Esto nos proporciona ahora un método nuevo y maravilloso para manipular superficies de manera específica”, dice Richard Wilhelm. “Podemos agregar nano-poros 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 perforadas exactamente como se desee, sobre las que luego 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 TU Doctoral College TU-D hayan podido contribuir significativamente a estos resultados”, dice Janine Schwestka, quien fue miembro del TU-D durante más de tres años. “Además, distingue a Viena como un lugar para la ciencia y la investigación que pudimos establecer contactos con la Universidad de Viena a través de distancias cortas para profundizar nuestra experiencia conjunta y complementarnos metódicamente”.
Referencia: “Tallado a escala atómica de nanoporos en una heteroestructura de van der Waals con iones lentos altamente cargados” por Janine Schwestka, Heena Inani, Mukesh Tripathi, Anna Niggas, Niall McEvoy, Florian Libisch, Friedrich Aumayr, Jani Kotakoski y Richard A. Wilhelm , 30 de julio de 2020, ACS Nano.
DOI: 10.1021 / acsnano.0c04476
