Representación artística del experimento de exfoliación y fotoemisión de KISS. El material 2D se separa del cristal original debido a una mayor interacción con el sustrato. La luz ultravioleta se usa para fotoemitir electrones, lo que permite estudios de estructura electrónica mediante imágenes directas de bandas de electrones como se ve en el fondo. Crédito: Antonija Grubišić-Čabo y Dina Maniar, Universidad de Groningen
Han pasado casi dos décadas desde la aparición del grafeno, la variante bidimensional del grafito, que aumentó significativamente el interés por los materiales 2D debido a sus atributos físicos únicos. La producción temprana de grafeno implicaba el uso de cinta adhesiva para pelar capas de grafito a granel, y aunque este método ganó un Premio Nobel, tiene inconvenientes.
Ahora, un consorcio internacional de científicos de superficies ha desarrollado un método sencillo para crear muestras 2D grandes y notablemente puras a partir de una variedad de materiales, empleando tres sustratos distintos. Su técnica, llamada Kinetic In Situ Single-layer Synthesis (KISS), se detalló recientemente en la revista Advanced Science.
Los materiales 2D tienen propiedades físicas que no comparte el material a granel. El confinamiento de los portadores de carga es una de las razones de esto. Hay dos formas de producir estos materiales 2D: exfoliar un cristal más grande o hacer crecer una capa 2D. La exfoliación significa quitar capas de un cristal más grande hasta que quede solo una capa. “Este proceso lleva mucho tiempo y requiere habilidades y equipos específicos”, dice Antonija Grubišić-Čabo, científica de superficies de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y primera autora del artículo de Advanced Science. “Además, a menudo da como resultado escamas muy pequeñas, mientras que la cinta adhesiva utilizada puede dejar polímeros en sus superficies”.
Esta imagen muestra la configuración para la síntesis cinética de una sola capa in situ (KISS). El material a granel se coloca en un portamuestras con resorte para regular el impacto (flecha amarilla). Luego se presiona contra el cristal dorado (el anillo ligeramente más brillante debajo de la flecha azul). Tras la liberación, se adherirá una capa 2D al sustrato de oro. Crédito: Antonija Grubišić-Čabo, Universidad de Groningen
Oro
Hacer crecer películas en 2D es otro enfoque. Esto permite la producción de grandes muestras en condiciones controladas. “Sin embargo, por lo general lleva mucho tiempo descubrir cómo hacer crecer estos materiales 2D. Y el proceso no siempre da como resultado una capa perfecta”, dice Grubišić-Čabo. Junto con el último autor, Maciej Dendzik, reunió un ‘equipo de ensueño’ de colegas, muchos de los cuales habían trabajado previamente juntos en la Universidad de Aarhus (Dinamarca) como Ph.D. estudiantes, desarrollen una técnica simple para producir materiales 2D.
“Sabíamos de algunos experimentos en los que se usaban películas de oro para exfoliar materiales a granel. Pero estos se llevaron a cabo principalmente en el aire, lo que significa que esta técnica no es muy adecuada para materiales sensibles al aire o para la investigación científica de superficie”. El equipo quería una técnica que permitiera la producción de materiales 2D sensibles al aire en una variedad de sustratos. En su primer intento, utilizaron un cristal de oro en una cámara de alto vacío. «Básicamente, golpeamos el cristal sobre el material a granel y encontramos una buena capa 2D pegada al oro». Aún no está claro por qué sucede esto, pero el equipo sospecha que el vínculo con el oro es más fuerte que la fuerza de Van der Waals que mantiene unidas las capas de cristal.
Esta es la Dra. Antonija Grubišić-Čabo, científica de superficies de la Universidad de Groningen (Países Bajos) y primera autora del artículo de Advanced Science. Crédito: Universidad de Groningen
Dispositivos
Desarrollaron este primer experimento agregando un resorte al escenario con el material a granel que actúa como un amortiguador y así permite un mejor control del impacto del cristal de oro. Además, el equipo ha demostrado que tanto la plata como el germanio semiconductor se pueden utilizar como sustrato para pelar materiales 2D. “Los cristales de oro son una característica estándar en los laboratorios de ciencia de superficies, donde se utilizan en la calibración de instrumentos, por ejemplo. A los científicos no les gusta dañar estos cristales, pero eso no sucedió en estos experimentos”, dice Grubišić-Čabo. “Desde entonces, hemos cambiado el protocolo para usar películas delgadas de oro monocristalino. Esto tiene la ventaja adicional de poder disolver el oro para que podamos aislar la muestra 2D siempre que sea estable en el aire o líquido”.
Estas muestras aisladas se pueden utilizar para el siguiente paso: la construcción de dispositivos a partir de los materiales 2D que se producirán con la técnica KISS. “Esto aún no es posible, pero estamos trabajando en ello”, dice Grubišić-Čabo. “Entonces, lo que tenemos es una técnica para producir muestras 2D grandes y limpias de una manera muy simple, lo que nos permite crear materiales 2D sensibles al aire. Además, nuestra técnica utiliza equipos estándar que están presentes en prácticamente todos los laboratorios de ciencia de superficies”.
Referencia: “Método de exfoliación in situ de materiales 2D de área grande” por Antonija Grubišić-Čabo, Matteo Michiardi, Charlotte E. Sanders, Marco Bianchi, Davide Curcio, Dibya Phuyal, Magnus H. Berntsen, Qinda Guo y Maciej Dendzik, 26 de Mayo 2023, Ciencia Avanzada.
DOI: 10.1002/advs.202301243
