- Un grupo de investigadores de IMDEA Nanociencia ha unido estructuras 2D de MoS2 y grafeno utilizando por primera vez un velcro molecular: una conexión covalente.
- Las estructuras 2D-2D se utilizaron para construir robustos transistores de efecto campo (FET) con control sobre la comunicación electrónica, naturaleza química de la interfaz y distancia entre las capas.
- Las propiedades electrónicas del sistema están dominadas por la interfaz de las dos capas de materiales, unidos covalentemente.
Madrid, 25 de abril, 2022. El método más extendido para la síntesis de heteroestructuras 2D-2D es el crecimiento directo de materiales, uno encima del otro. Las estructuras 2D son materiales en capas atómicamente delgadas, de unos pocos átomos de espesor, que se pueden apilar para construir heteroestructuras funcionales. En tales estructuras construidas por deposición atómica, las capas 2D están débilmente unidas por las interacciones de ‘van der Waals’ y se pueden desmontar al someterse a algunos disolventes o procesos térmicos. La falta de control sobre la interfaz de los dos materiales, en términos de comunicación electrónica, naturaleza química o distancia entre capas impide la construcción de dispositivos robustos.
Un equipo de investigadores liderado por Enrique Burzurí y Emilio M. Pérez en IMDEA Nanociencia (Madrid, España) han conectado por primera covalentemente vez capas de materiales 2D: MoS2 y grafeno. El equipo ha utilizado las herramientas de la química sintética para coser varios copos de MoS2 a dispositivos de grafeno de una sola capa, utilizando una molécula bifuncional con dos puntos de anclaje. Los resultados, publicados ahora en Nature Chemistry, muestran que las propiedades electrónicas finales de la heteroestructura están dominadas por la interfaz molecular.
La combinación de las propiedades semiconductoras del dicalcogenuro de metales de transición MoS2 con la alta movilidad portadora del grafeno es particularmente atractiva para las aplicaciones. El grupo construyó transistores de efecto de campo (FET) para probar las propiedades eléctricas de la estructura. Encontraron una modificación en la característica de voltaje de puerta, con un cambio del cono de Dirac hacia voltajes positivos y una reducción de la corriente al mínimo. Esta supresión de corriente en el grafeno se asocia inequívocamente a la interrupción de la hibridación sp2 en sp3 debido a la formación de enlaces covalentes. Un experimento de control con MoS2 prístino suspendido sobre grafeno no mostró cambios significativos en la intensidad de la banda D. Curiosamente, la movilidad del portador de carga se conserva después de la funcionalización y la formación de enlaces covalentes entre MoS2 y el grafeno, siendo el grado de dopaje de grafeno controlable a través del grado de funcionalización.
La fabricación de estas heteroestructuras covalentes 2D-2D es relativamente fácil. Un sustrato de silicio que contenía una lámina de grafeno se sumergió en una suspensión de MoS2 funcionalizado en agua a 35 °C. Dos horas de funcionalización fueron suficientes para promover la unión covalente en la mayoría de los sitios de grafeno. Para confirmar la funcionalización covalente, se realizó espectroscopia Raman para rastrear la transformación de átomos de carbono sp2 del grafeno a sp3 como indicación de la formación de un nuevo enlace C-C.
Entrevista a los autores
¿Cómo explicarías tu trabajo a alguien que no tiene conocimiento del campo?
Enrique Burzurí (EB): Los materiales 2D son materiales extremadamente delgados (atómicamente) que presentan propiedades interesantes para aplicaciones electrónicas. Dependiendo de la naturaleza del material, estas propiedades pueden ser diferentes (buena conductividad eléctrica, sensibilidad a la luz, etc.). Esta es la razón por la que los científicos están tratando de combinar dos o más de estos materiales en uno nuevo. El método más extendido para hacer esto es apilar manualmente un material sobre el otro, una pieza cada vez. Nosotros, en cambio, utilizamos la química para unir los materiales en estructuras fuertes donde una pequeña molécula se utiliza como enlace y a la vez como modulador de las propiedades eléctricas del material final.
Emilio M. Pérez (EMP): ¡Exactamente! Al tratar de combinar lo mejor de dos materiales, la mayoría de los científicos se han centrado en simplemente apilarlos juntos. Lo que hacemos aquí es diseñar realmente un «Velcro» molecular que sea reactivo hacia un material en un extremo, y hacia el otro en el otro extremo, de modo que podemos juntarlos, de forma más fácil, más rápida, juntando muchos copos a la vez … Además, y esto es importante, el enlazador molecular afecta realmente a las propiedades del ensamblaje final, por lo que añadimos un grado más de control a la heteroestructura.
¿Por qué una persona promedio debería preocuparse por esta investigación? ¿Cuáles son algunas de las posibles aplicaciones de la vida real?
EB: El enfoque que hemos seguido tiene el potencial de reducir costes y lograr un mejor control en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos basados en materiales 2D. Estos avances acercarían la implementación de materiales 2D en la electrónica de la vida real.
EMP: Este trabajo se ve mejor como el desarrollo de una herramienta. Estamos proporcionando un nuevo método para hacer dispositivos basados en heteroestructuras 2D-2D. Además de reducir posiblemente los costes de fabricación, como señala Enrique, esto tiene implicaciones potenciales en lo que los dispositivos pueden hacer (por ejemplo, habilitar una nueva función) y en qué tan bien lo hacen (por ejemplo, un mejor rendimiento de un sensor).
¿Por qué elegiste investigar este tema?
EMP: La química de los materiales 2D es en sí misma muy interesante, porque es muy desafiante. Todos los átomos se ven iguales y, por lo general, no son muy reactivos, por lo que es difícil hacer química en ellos, ¡y “difícil” significa “diversión”! Además, el privilegio de la Química es que podemos transformar la materia, para hacerla útil (o simplemente más interesante). En este caso, por ejemplo, pegando dos materiales 2D más fácilmente y con mejor control.
EB: Para mí, la combinación de materiales 2D en heteroestructuras es uno de los campos más activos en la Ciencia de Materiales. Me parece muy interesante que este campo de investigación pueda conducir no solo a nuevas tecnologías, sino también a nuevos fenómenos físicos emocionantes.
¿Qué es lo más emocionante de sus resultados?
EB: Me parece muy emocionante que, gracias a este enfoque químico, podamos fabricar cientos de estos dispositivos electrónicos en un solo paso. Además, esta técnica se puede extender a otros materiales más exóticos para que podamos crear una nueva generación de dispositivos electrónicos con propiedades que puedan complementar la electrónica.
EMP: Creo que la simplicidad del método es lo más emocionante. Todo se realiza en condiciones suaves, a temperatura ambiente o cerca de ella, utilizando equipos de laboratorio y reactivos comunes… Esto también lo hace muy robusto y reproducible: ¡hemos hecho literalmente cientos de dispositivos y el método simplemente funciona!
¿Cuál es la novedad, la innovación más allá del estado del arte de estos resultados?
EMP: Siempre es difícil cuantificar estas cosas… especialmente cuando se trata de la propia investigación de la que está hablando. Quizás la forma más fácil de medir la novedad es que hasta ahora, el apilamiento de materiales 2D uno encima del otro dependía exclusivamente de las fuerzas de van der Waals hasta el punto de que todo el campo a menudo se llama «heteroestructuras de van der Waals». Las fuerzas de Van der Waals son geniales, ¿sabes? Como químico supramolecular, me encantan las fuerzas no covalentes, pero si lo piensas, es bastante limitante tener solo una opción … sobre todo teniendo en cuenta que las propiedades de la heteroestructura final dependen crucialmente de cómo se interconectan los nanomateriales (recientemente escuché al Prof. Luis Hueso afirmar que «la interfaz es el dispositivo»). Por otro lado, la química sintética es el paradigma del control a escala atómica. Con este trabajo, traemos la enorme caja de herramientas de la química al juego de hacer heteroestructuras 2D-2D… Creo que es justo decir que es una contribución digna de mención.
EB: Hemos cambiado la forma en que se hacen las heteroestructuras 2D. Por primera vez hemos utilizado la química para unir covalentemente materiales 2D y formar in situ varios dispositivos electrónicos al mismo tiempo.
Por primera vez, los investigadores han utilizado las herramientas de la química para unir covalentemente materiales 2D. Los resultados muestran el poder del enfoque químico para construir heteroestructuras de grafeno MoS2 más allá de van der Waals, preservando la movilidad portadora del grafeno con miras hacia dispositivos FET de alto rendimiento. La conexión covalente vertical aporta un impulso adicional a las propiedades finales de los nanodispositivos más allá de las propiedades intrínsecas de los materiales, y tiene el potencial de una fácil homologación de alto rendimiento.
Este trabajo es una colaboración entre investigadores de IMDEA Nanociencia, la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad CEITEC Masaryk Kamenice, la Universidad de Zaragoza, INMA y CIBER-BNN, y ha sido cofinanciado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC) a través de los proyectos StG MINT y PoC PINT y el proyecto MSCA PD 892667 TweeTERS.
Palabras clave: química sintética, grafeno, heteroestructuras 2D, nanodispositivos.
Referencia
- Vázquez Sulleiro et al. A chemical approach to 2D-2D heterostructures beyond van der Waals: high-thorughput on-device covalent connection of MoS2 and graphene. Nat. Chemistry. 2022. DOI: 10.1038/s41557-022-00924-1.
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Enrique Burzurí enrique.burzuri@uam.es @enburz
Emilio M. Pérez emilio.perez@imdea.org @emiliomperezlab
IMDEA Nanociencia Outreach Office divulgacion.nanociencia@imdea.org +34 91 299 87 12 Twitter: @imdea_nano Facebook & Instagram: @imdeananociencia
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Fuente: IMDEA Nanociencia
