Anar al contingut

Monocapas de dicalcogenuros de metals de transició

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

Plantilla:PA


Archiu:Monolayer caps block 1 structure.jpg
Estructura hexagonal de monocapas de TMDs. Els metals es representen com a àtoms en negre i els calcogenuros en groc. Vista lateral, (a), i superior, (b).

Les monocapas de dicalcogenuros de metals de transició (TMD) són un tipo de nanomateriales d'una gruixa de tan sol 3 àtoms, és dir, uns pocs Ángstroms, mentres que les atres dos dimensions varien des d'uns pocs centenars de nanómetros fins a superar les micras. S'està estudiant incrementar el tamany fins al nivell macroscòpic.[1]

Els TMDs es representen per mig de la fòrmula genèrica MX2, a on M i X són àtoms. M és un metal de transició (Mo, W, etc.) i X un calcogenuro (S, Es, o Et). Els àtoms M es disponen en un pla. Este pla està rodejat per atres dos plans de X units a través d'un enllaç covalente a M. És dir, Els TMDs són materials que es presenten en dos dimensions, en 2D, tal i com es representen en la figura Estructura hexagonal de monocapas de TMDs. La distribució d'estos 3 plans (X-M-X) pot variar, obtenint en molts casos, estructures en celes unitats tetragonals (T), hexagonals (H) o octaèdriques, sent la primera metàlica i les atres dos semiconductoras en la majoria dels TMDs. D'entre tots els TMDs, el MoS2 és el més abundant i investigat, només té una gruixa de 6.5 Å i sol usar-se cóm TMDs representatiu.

Estos materials posseïxen característiques molt particulars d'interés en nanotecnología i conversió d'energia. Per eixemple, el WTe2 posseïx magnetoresistencias jagants i superconductividad.[2] Solen ser molt resistents, estables, posseïxen una gran movilitat de càrrega i poden absorbir i emetre (fluorescència ) i grans cantitats de llum. Ademés, en els últims anys s'ha estat estudiat el caràcter electró donor-acceptor que estos materials tenen despuix de combinar-los en diferents composts orgànics, provocant una variació controlada de les propietats intrínseques dels TMDs[3]


En el món real, les monocapas són molt difícils d'obtindre i se sol treballar en oligocapas (1-10 capes). La cantitat mija de oligocapas és fàcilment distinguible per vàries tècniques. (Espectroscòpia de UV-vis, Raman o TEM)[4][5] Solen ser materials insolubles en qualsevol dissolvent, sobretot, la fase semiconductora. Per a solucionar este problema, se sol afegir agents tensoactivos en aigua o dispersar despuix d'un procés de sonicación intens els TMDs en dissolvents apropiats, tals com N,N-dimetilformamida (DMF) o N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP). En els últims anys, la solubilidad d'estos materials s'ha incrementat molt despuix de sometre'ls a un procés de funcionalización. Alguns composts voluminosos com el terc-Butil o etilenglicol han demostrat ser tremendament efectius, superant concentracions de 1 mg/ml.[3][6]

Fa uns anys, el grafeno va demostrar que els materials 2D tenen diferents propietats en comparació als seus homòlecs en 3D. Açò va propiciar l'estudi del restant de materials 2D. De la mateixa manera que el grafit, els TMDs estan formats per monocapas unides entre sí per les forces de Van der Waals, formant multicapas, d'igual modo que un llibre està format per una gran cantitat de fulls. Les monocapas de TMDs tenen propietats que són clarament diferents de les del grafeno semimetal, obtenint propietats que van des de cràter metàlic a semiconductor:


  • Les monocapas H de MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, Malnom2 tenen una bandgap directa, mentres que les multicapas només posseïxen una bandgap indirecta. Les monocapas posseïxen un alt rendiment quàntic, emetent gran cantitat de llum. S'està investigant el seu us en nanotecnología com transistors, LEDs i en detectors.[7][8][9][10]
  • Les monocapas (o un número impar de oligocapas) dels TMDs, no tenen eix d'inversió, generant un nou grau de llibertat, concretament el k-índex de vall, sent d'importància en física, en el cape nomenat cóm valletrónicos[11][12][13][14]
  • El fort enllace espin-òrbita en monocapas de TMD (per eixemple, WS2 ) té la ventaja de separar espin en centenars de meV en la banda de valència i uns quants meV en la banda de conducció.[15][16]
  • L'enllaç espin-òrbita de MoS2 promet ser un material útil per a aplicaciónes espintrónicas.[17]
  • Curiosament, el bandgap dels TMDs es troba en el espectre visible (300-600 nm) absorbint una gran cantitat de llum en regions propenques al bandgap directe i indirecte. Açò permet als TMDs absorbir una gran cantitat d'energia.


Els TMDs aspiren a ser tan notoris com el grafeno despuix del descobriment del seu bandgap directa, les seues gran densitat de càrrega i les seues propietats valletrónicas.[7][18][8][12][13][14] En ocasions se sol combinar un tipo de TMDs (eg. MoS2) en un atre (eg. WS2) o atres materials 2D com el grafeno o nitrur de bor per a fer heteroestructuras a través de forces de van der Waals. Estes heteroestructuras necessiten ser optimisades per al desenroll de transistors, cèlules solars, LEDs, fotodetectores, cèlules de combustible de calitat. Alguns d'estos dispositius s'utilisen en la nostra vida diària i utilisar monocapas de TMDs pot donar lloc a la fabricació de dispositius més menuts, més barats i més eficaços.[19][20] Unes atres de les seues propietats encara estan sent desenrollades i prometen tindre un impacte enorme en la tecnologia.

Estructura cristalina

[editar | editar còdic]
Cèlula primitiva de WSe2.

Els TMDs poden tindre celes unitàries tetragonals (T), hexagonals (H) i romboédrales (R). En multicapas de MoS2 i WS2 l'estructura natural és hexagonal o romboédral. La tetragonal o octaèdrica és menys estable i es pot obtindre despuix d'un procés químic.[21] L'estructura tetragonal és metàlica i sol tindre defectes en la distribució dels seus àtoms, a part d'atres defectes com vacancias de calcogenos.

En l'estructura cristalina normal dels TMDs , l'estructura de cristal té un eix d'inversió. En el cas d'una mona capes (o qualsevol número impar de capes), el cristal no té tal eix d'inversió. Açò produïx:


  • Fenomens òptics no llineals com la generació d'un segon harmònic. Quàn el cristal s'excita per un làser, la freqüència es pot duplicar.[22][23][24][25]
  • Una estructura de banda electrònica en band gaps directes, a on les capes de valència i de conducció i es localisen a distàncies no equivalents de punts K (K+ i K-) en la zona de Brillouin. Per tant, Els TMDs tenen un elevat rendiment quàntic.[14]

Estes propietats indiquen que les monocapas dels TMD representen una plataforma prometedora per a explorar els espin, la física de les valls i modular les seues band gaps.

Propietats

[editar | editar còdic]

Propietats de transport

[editar | editar còdic]
Esquema representatiu de la secció d'un transistor d'efecte de camp basat en una monocapa de MoS2 [8]

A escala nanométrica, els materials ya no tenen el mateix comportament. Per eixemple, el grafeno té una elevada movilitat carrega, sent un dels materials més impressionants, superant per mils de voltes als monocristales de silici. Pero el grafeno té un bandgap zero, el qual resulta en una diferència nula del ràtio encés/apagat (És dir, quan es compara la diferència de potencial abans i despuix de sobrepassar el band gap) sent de vital interés la presència d'un gran canvi, al voltant de 106 voltes de diferència, per a construir transistors més menuts. Els TMDs poden proporcionar este canvi, ademés posseïxen una movilitat de càrrega bona, (100 voltes menor a la del grafeno, •200 cm²V-1·s-1 pero del mateix orde que les monocapas de silici) i a banda posseïxen una gran estabilitat a temperatura ambiente en atmòsfera nitrogenada. Estes propietats s'estan millorant a través de la funcionalización dels materials. És dir, combinant els TMDs en un atre materials, com les nanopartículas o composts orgànica.[26]

En 2011, es va fer el primer transistor d'efecte de camp (FET), utilisant monocapas de MoS2 i mostrant un ràtio encés/apagat que va superar el 108.[8]

Propietats òptiques

[editar | editar còdic]
Energia de transició teòrica[27]
Un (eV) Un (nm) B (eV) B (nm)
MoS2 1.78 695 1.96 632
MoSe2 1.50 825 1.75 708
Malnom2
WS2 1.84 673 2.28 544
WSe2 1.52 815 2.00 619

Un semiconductor pot absorbir els fotons en energies iguals a la seua bandgap. Açò significa que, en condicions normals, aquella llum en una llongitut d'ona (nm) propenca al band gap es pot absorbir. Els semiconductors són típicament eficaços emissors de llum sempre i quan el mínim de l'energia de banda de conducció es trobe en la mateixa posició k-espacial que el màxim de la banda de valència. Per eixemple, el WS2 només posseïx un band gap directe en monocapas, sent indirecte inclús en bicapas. El número de capes és rellevant en les propietats d'emissió d'estos materials. De manera general, l'eficàcia d'emissió és aproximadament 104 més gran per a monocapas que para multi-capes (i inclús oligo-capes) de TMDs.[9] Els band gaps de les monocapas de TMDs es troba en la gama visible (entre 400 nm i 700 nm). L'emissió directa mostra dos transicions principals. A i B, separats per l'energia de l'acoplament d'espin orbita. La diferència d'energia més baixa i per tant més important és l'intensitat d'emissió de A.[7][28] A causa del band gap directe, les monocapas de TMDs prometen tindre interessants aplicacions en optoelectrònica i inclús en conversió d'energia.

Esquema representatiu de la secció d'un nano fotodetector basat en una monocapa de MoS2[10]


Propietats mecàniques

[editar | editar còdic]

Una de les propietats més interessants dels TMDs com MoS2, WS2, i WSe2 és la seua flexibilitat, sobretot, en comparació al seu homòlec tridimensional.[29] Per les reduïdes dimensions d'estos materials, calcular les seues propietats físiques és molt difícil i es té que pensar d'una manera diferent. Per a calcular el mòdul de Young és necessari utilisar un microscopi de força atòmica (AFM), en el qual es pot doblar les capes dels TMDs. Per eixemple, per a les monocapas de MoS2 s'ha trobat un mòdul de Young de 270 GPa. Sent el més gran entre 5 i 25 capes en 330 GPa.[30][31][32] En atres materials com WS2 i WSe2 el mòdul de Young per a oligocapas és de 167 GPa en una tensió màxima de 7 %.[33] Encara que es té que tindre en conte que la cantitat de defectes del material, i el seu método d'obtenció són molt rellevants per a l'obtenció de les seues propietats. Per eixemple, WS2 obtingut per CVD puja fins a 226 GPa, quan es compara en el seu valor anteriorment mencionat obtingut despuix d'un procés d'exfoliació.

També s'ha trobat que el band gap, (directe i indirecte), varia linealmente en l'aplicació d'una força.[34]


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ Nanotechnology.
  2. ↑ (2017).Journal of Materials Chemistry A.5(35)
    18299–18325.doi:10.1039/C7TA04268J.
  3. ↑ 3,0 3,1 Angewandte Chemie International Edition.58(17)
    5712–5717.ISSN 1521-3773.doi:10.1002/anie.201900101.Consultat el 18 de juny de 2019.
  4. ↑ Advanced Functional Materials.22(7)
    1385–1390.ISSN 1616-3028.doi:10.1002/adfm.201102111.Consultat el 17 de juny de 2019.
  5. ↑ ACS Nano.10(1)
    1589–1601.ISSN 1936-0851.doi:10.1021/acsnano.5b07228.Consultat el 17 de juny de 2019.
  6. ↑ npj 2D Materials and Applications.1(1)
    13.ISSN 2397-7132.doi:10.1038/s41699-017-0012-8.Consultat el 18 de juny de 2019.
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 (2010).Nano Letters.10(4)
    1271–5.doi:10.1021/nl903868w.
  8. ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 (2011).Nature Nanotechnology.6(3)
    147–50.doi:10.1038/nnano.2010.279.
  9. ↑ 9,0 9,1 Nano Letters.13(4)
    1416–1421.ISSN 1530-6984.doi:10.1021/nl400516a.
  10. ↑ 10,0 10,1 (2013).Nature Nanotechnology.8(7)
    497–501.doi:10.1038/nnano.2013.100.
  11. ↑ (2007).Nature Physics.3(3)
    172–175.doi:10.1038/nphys547.
  12. ↑ 12,0 12,1 (2012).Nature Communications.3(6)
    887.doi:10.1038/ncomms1882.
  13. ↑ 13,0 13,1 (2012).Nature Nanotechnology.7(8)
    494–8.doi:10.1038/nnano.2012.96.
  14. ↑ 14,0 14,1 14,2 (2012).Nature Nanotechnology.7(8)
    490–3.doi:10.1038/nnano.2012.95.
  15. ↑ (2016).Scientific Reports.6
    24093.doi:10.1038/srep24093.
  16. ↑ (2012).Physical Review B.86(8)
    3–6.doi:10.1103/PhysRevB.86.081301.
  17. ↑ Physical Review B.98(18)
    180404.doi:10.1103/PhysRevB.98.180404.
  18. ↑ 2D Materials.6(2)
    022001.doi:10.1088/2053-1583/aaf836.
  19. ↑ «2-D materials enhance a 3-D world». phys.org. Consultat el Mar 9, 2017.
  20. ↑ «[https://phys.org/news/2016-05-nanocavity-ultrathin-solar-panels- video.html#nRlv This 'nanocavity' may improve ultrathin solar panels, video cameras and more]». phys.org. Consultat el Mar 9, 2017.
  21. ↑ The Journal of Physical Chemistry C.118(3)
    1515–1522.ISSN 1932-7447.doi:10.1021/jp4076355.Consultat el 18 de juny de 2019.
  22. ↑ (2013).Physical Review B.87(16)
    161403.doi:10.1103/PhysRevB.87.161403.
  23. ↑ (2013).Physical Review B.87(20)
    201401.doi:10.1103/PhysRevB.87.201401.
  24. ↑ (2013).Scientific Reports.3
    1608.doi:10.1038/srep01608.
  25. ↑ (2015).Physical Review Letters.114(9)
    097403.doi:10.1103/PhysRevLett.114.097403.
  26. ↑ Chemistry – A European Journal.24(69)
    18246–18257.ISSN 1521-3765.doi:10.1002/chem.201803066.Consultat el 18 de juny de 2019.
  27. ↑ (2012).Physical Review B.86(11)
    115409.doi:10.1103/PhysRevB.86.115409.
  28. ↑ (2013).Physical Review Letters.111(21)
    216805.doi:10.1103/PhysRevLett.111.216805.
  29. ↑ Nature Communications.5
    5678.ISSN 2041-1723.doi:10.1038/ncomms6678.
  30. ↑ Science.321(5887)
    385–388.ISSN 0036-8075.doi:10.1126/science.1157996.
  31. ↑ ACS Nano.5(12)
    9703–9709.ISSN 1936-0851.doi:10.1021/nn203879f.
  32. ↑ Advanced Materials.24(6)
    772–775.ISSN 0935-9648.doi:10.1002/adma.201103965.
  33. ↑ Applied Physics Letters.108(4)
    042104.doi:10.1063/1.4940982.
  34. ↑ (2013).Nano Letters.13(6)
    2931–6.doi:10.1021/nl4013166.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Monocapas_de_dicalcogenuros_de_metals_de_transició&oldid=738077»