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2021-02-28Ingeniería de la frontera entre materiales 2D y 3D

MIT |Un microscopio de última generación ayuda a descubrir formas de controlar las propiedades electrónicas de materiales atómicamente finos.

En los últimos años, los ingenieros han encontrado la forma de modificar las propiedades de algunos materiales "bidimensionales", que sólo tienen uno o unos pocos átomos de grosor, apilando dos capas y girando ligeramente una con respecto a la otra. Esto crea lo que se conoce como patrones de moiré, en los que pequeños cambios en la alineación de los átomos entre las dos láminas crean patrones a mayor escala. También cambia la forma en que los electrones se mueven a través del material, en formas potencialmente útiles.

Pero para las aplicaciones prácticas, estos materiales bidimensionales deben conectarse en algún momento con el mundo ordinario de los materiales 3D. Un equipo internacional dirigido por investigadores del MIT ha ideado una forma de obtener imágenes de lo que ocurre en estas interfaces, hasta el nivel de los átomos individuales, y de correlacionar los patrones de muaré en la frontera 2D-3D con los cambios resultantes en las propiedades del material.

Los nuevos hallazgos se describen hoy en la revista Nature Communications, en un artículo elaborado por los estudiantes de posgrado del MIT Kate Reidy y Georgios Varnavides, los profesores de ciencia e ingeniería de materiales Frances Ross, Jim LeBeau y Polina Anikeeva, y otras cinco personas del MIT, la Universidad de Harvard y la Universidad de Victoria (Canadá).

Los pares de materiales bidimensionales, como el grafeno o el nitruro de boro hexagonal, pueden presentar variaciones sorprendentes en su comportamiento cuando las dos láminas se retuercen ligeramente entre sí. Esto hace que los entramados atómicos en forma de alambre de pollo formen patrones de muaré, el tipo de bandas y manchas extrañas que a veces aparecen al tomar una foto de una imagen impresa o a través de la pantalla de una ventana. En el caso de los materiales 2D, "parece que cualquier cosa, cualquier propiedad interesante de los materiales en la que se pueda pensar, se puede modular o cambiar de alguna manera retorciendo los materiales 2D entre sí", dice Ross, que es la profesora Ellen Swallow Richards del MIT.

Aunque estos emparejamientos en 2D han atraído la atención científica en todo el mundo, dice, poco se ha sabido sobre lo que ocurre cuando los materiales en 2D se encuentran con sólidos regulares en 3D. "Lo que nos interesó en este tema", dice Ross, fue "lo que ocurre cuando se juntan un material 2D y otro 3D. En primer lugar, ¿cómo se miden las posiciones atómicas en la interfaz y cerca de ella? En segundo lugar, ¿cuáles son las diferencias entre una interfaz 3D-2D y una 2D-2D? Y en tercer lugar, cómo se puede controlar: ¿hay alguna forma de diseñar deliberadamente la estructura interfacial" para producir las propiedades deseadas?

Averiguar qué ocurre exactamente en esas interfaces 2D-3D era un reto enorme porque los microscopios electrónicos producen una imagen de la muestra en proyección y su capacidad para extraer la información de profundidad necesaria para analizar los detalles de la estructura de la interfaz es limitada. Pero el equipo ideó un conjunto de algoritmos que les permitió extrapolar a partir de las imágenes de la muestra, que se parecen a un conjunto de sombras superpuestas, para averiguar qué configuración de capas apiladas daría lugar a esa compleja "sombra".

El equipo utilizó dos microscopios electrónicos de transmisión únicos en el MIT que permiten una combinación de capacidades sin parangón en el mundo. En uno de estos instrumentos, el microscopio está conectado directamente a un sistema de fabricación, de modo que las muestras pueden producirse in situ mediante procesos de deposición e introducirse inmediatamente en el sistema de obtención de imágenes. Se trata de una de las pocas instalaciones de este tipo en todo el mundo, que utiliza un sistema de ultravacío que impide que hasta la más mínima impureza contamine la muestra mientras se prepara la interfaz 2D-3D. El segundo instrumento es un microscopio electrónico de transmisión de barrido situado en la nueva instalación de investigación del MIT, MIT.nano. Este microscopio tiene una estabilidad extraordinaria para la obtención de imágenes de alta resolución, así como múltiples modos de obtención de imágenes para recoger información sobre la muestra.

A diferencia de los materiales apilados en 2D, cuyas orientaciones pueden cambiarse con relativa facilidad simplemente cogiendo una capa, girándola ligeramente y volviéndola a colocar, los enlaces que mantienen unidos los materiales en 3D son mucho más fuertes, por lo que el equipo tuvo que desarrollar nuevas formas de obtener capas alineadas. Para ello, añadieron el material 3D sobre el material 2D en ultravacío, eligiendo condiciones de crecimiento en las que las capas se autoensamblaban en una orientación reproducible con grados específicos de torsión. "Teníamos que cultivar una estructura que se alineara de una forma determinada", afirma Reidy.

Una vez cultivados los materiales, tuvieron que averiguar cómo revelar las configuraciones atómicas y las orientaciones de las diferentes capas. Un microscopio electrónico de transmisión de barrido produce en realidad más información de la que se aprecia en una imagen plana; de hecho, cada punto de la imagen contiene detalles de las trayectorias a lo largo de las cuales los electrones llegaron y partieron (el proceso de difracción), así como cualquier energía que los electrones perdieron en el proceso. Todos estos datos pueden separarse para que la información de todos los puntos de una imagen pueda utilizarse para descifrar la estructura sólida real. Este proceso sólo es posible con microscopios de última generación, como el del MIT.nano, que genera una sonda de electrones inusualmente estrecha y precisa.

Los investigadores utilizaron una combinación de técnicas denominadas STEM 4D y contraste de fase diferencial integrado para lograr ese proceso de extracción de la estructura completa en la interfaz a partir de la imagen. Luego, dice Varnavides, se preguntaron: "Ahora que podemos obtener imágenes de la estructura completa en la interfaz, ¿qué significa esto para nuestra comprensión de las propiedades de esta interfaz?" Los investigadores demostraron, a través de la modelización, que se espera que las propiedades electrónicas se modifiquen de una manera que sólo puede entenderse si se incluye la estructura completa de la interfaz en la teoría física. "Lo que descubrimos es que, efectivamente, este apilamiento, la forma en que los átomos se apilan fuera del plano, modula las propiedades electrónicas y de densidad de carga", afirma.

Ross dice que los hallazgos podrían ayudar a mejorar los tipos de uniones en algunos microchips, por ejemplo. "Todo material 2D que se utiliza en un dispositivo tiene que existir en el mundo 3D, por lo que tiene que tener una unión de alguna manera con materiales tridimensionales", dice. Así que, con esta mejor comprensión de esas interfaces, y las nuevas formas de estudiarlas en acción, "estamos en buena forma para hacer estructuras con propiedades deseables de una manera más bien planificada que ad hoc".

"El presente trabajo abre un campo por sí mismo, permitiendo la aplicación de esta metodología a la creciente línea de investigación de la ingeniería del moiré, muy importante en campos como la física cuántica o incluso en la catálisis", dice Jordi Arbiol, del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología, en España, que no estuvo asociado a este trabajo.

"La metodología utilizada tiene el potencial de calcular, a partir de los patrones de difracción local adquiridos, la modulación del momento local de los electrones", dice, y añade

que "la metodología y la investigación aquí mostrada tiene un futuro destacado y un alto interés para la comunidad de la ciencia de los materiales".

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