Avance en la investigación sobre la producción de cristales 2D con excelentes propiedades ópticas
Cristales planos que muestran parámetros uniformes en toda la superficie, incluyendo - lo más valioso - excelentes propiedades ópticas
Por primera vez se cultivaron monocapas de dicalcogenuros de metales de transición con excelentes propiedades ópticas. Un equipo de físicos de la Universidad de Varsovia logró superar las dificultades técnicas a las que se enfrentaban la industria y los científicos de todo el mundo, a saber, el tamaño muy limitado, la heterogeneidad y la ampliación de las líneas espectrales de los materiales fabricados. Se cultivaron monocapas sin estos defectos mediante epitaxia de haz molecular en sustratos de nitruro de boro atómicamente planos.
Visualización artística: una monocapa de material 2D - el diseleniuro de molibdeno (MoSe2) se cultiva dirigiendo haces moleculares de selenio (amarillo) y molibdeno (azul) sobre un sustrato de nitruro de boro hexagonal atómicamente plano. Gracias a este sustrato, la epicapa de MoSe2 exhibe excelentes propiedades ópticas. La imagen fue elegida para la portada de la edición de mayo de 2020 de ACS Nano Letters.
UW Physics, A. Bogucki, W. Pacuski
Los cristales bidimensionales con estructura de panal, incluido el famoso grafeno, ya han revolucionado la nanociencia y tienen el potencial de revolucionar también las tecnologías comunes. Por lo tanto, es muy deseable desarrollar métodos a escala industrial para su producción.
Sin embargo, a pesar de las importantes inversiones en el desarrollo de técnicas de crecimiento de cristales atómicamente finos, las monocapas de mejor calidad se siguen obteniendo actualmente mediante exfoliación, es decir, debido al desprendimiento mecánico de las capas atómicas individuales del cristal grueso. Por ejemplo, las escamas de grafeno exfoliadas del grafito en bruto exhiben propiedades eléctricas superiores en comparación con el grafeno cultivado. Por el contrario, el tamaño de las monocapas exfoliadas mecánicamente es bastante pequeño.
Análogamente, las propiedades ópticas de los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (por ejemplo, el diseleniuro de molibdeno) sólo se revelan plenamente en el caso de las capas obtenidas como resultado de la exfoliación y después de haber sido sometidas a un tratamiento mecánico ulterior, como la colocación entre las capas de nitruro de boro. Sin embargo, como ya se ha mencionado, esta técnica no da lugar a cristales atómicamente finos a mayor escala, lo que da lugar a una heterogeneidad, un tamaño limitado e incluso a la aparición de ondulaciones, burbujas y bordes irregulares.
Por lo tanto, es crucial desarrollar una técnica para el crecimiento de dicalcogenuros metálicos de transición bidimensionales que permita la producción de monocapas de gran superficie. Actualmente, una de las tecnologías más avanzadas para producir cristales semiconductores delgados es la epitaxia de haz molecular (MBE). Proporciona estructuras de baja dimensión en grandes obleas, con gran homogeneidad, pero su eficacia en la producción de dicalcogenuros de metales de transición ha sido muy limitada hasta ahora. En particular, las propiedades ópticas de las monocapas cultivadas de MBE han sido hasta ahora bastante modestas, por ejemplo, las líneas espectrales han sido amplias y débiles, lo que no permite esperar que se utilicen las espectaculares propiedades ópticas de los dicalcogenuros de metales de transición en mayor escala.
Es en esta área donde los investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia hicieron un gran avance. En colaboración con varios laboratorios de Europa y el Japón, realizaron una serie de estudios sobre el crecimiento de monocapas de dicalcogenuros de metales de transición en un sustrato de nitruro de boro atómicamente plano. De este modo, utilizando el método MBE, obtuvieron cristales planos, de igual tamaño que el sustrato, que mostraban parámetros uniformes en toda la superficie, incluyendo -lo más valioso- excelentes propiedades ópticas.
Los resultados del trabajo acaban de publicarse en el último volumen de la prestigiosa revista Nano Letters. El descubrimiento dirige la futura investigación hacia la producción industrial de materiales atómicamente delgados. En particular, indica la necesidad de desarrollar obleas de nitruro de boro más grandes y atómicamente planas. En dichas obleas, será posible cultivar monocapas con la calidad óptica, las dimensiones y la homogeneidad necesarias para las aplicaciones optoelectrónicas.
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Publicación original
W. Pacuski, M. Grzeszczyk, K. Nogajewski, A. Bogucki, K. Oreszczuk, J. Kucharek, K.E. Polczynska, B. Seredynski, A. Rodek, R. Bozek, T. Taniguchi, K. Watanabe, S. Kret, J. Sadowski, T. Kazimierczuk, M. Potemski, P. Kossacki; ''Narrow Excitonic Lines and Large-Scale Homogeneity of Transition-Metal Dichalcogenide Monolayers Grown by Molecular Beam Epitaxy on Hexagonal Boron Nitride"; Nano Lett. 20, 3058 (2020)
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