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Adaptar las características y funciones de las sustancias bidimensionales (2D) es inseparable de la ingeniería de defectos. Las técnicas convencionales, especialmente en entornos sin vacío, no brindan el control necesario para incorporar y sondear defectos en sustancias 2D.
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Estudio: Mejora de la interacción entre la luz y la materia en la región infrarroja para el nanomaquinado determinista y sintonizable de nitruro de boro hexagonal. Crédito: Quality Stock Arts/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Nano Letters se centra en este tema al mejorar la interacción luz-materia para el nanomecanizado sintonizable de nitruro de boro hexagonal (hBN) utilizando microscopía de fuerza atómica (AFM). La investigación también examina las deformaciones reticulares estimuladas mediante espectroscopia nanoinfrarroja.
Ingeniería de defectos en materiales 2D: descripción general y aplicaciones
La importancia de los materiales bidimensionales (2D) ha aumentado significativamente desde las perspectivas teórica y práctica debido a las notables propiedades eléctricas del grafeno 2D, los dicalcogenuros de transición metálica y el nitruro de boro hexagonal (hBN).
La influencia de estas sustancias en la funcionalidad de los dispositivos de almacenamiento de energía se ha hecho evidente en la última década. Como en los casos de fallas de ingeniería en hBN y la evolución del grafeno mediada por defectos, se pueden agregar características y funciones innovadoras a los materiales 2D mientras se preservan sus ventajas conformacionales a través del nanomaquinado.
Nanomachining ofrece técnicas novedosas para construir materiales 2D para dispositivos optoelectrónicos, soportes de catalizadores y aplicaciones de comunicación cuántica. Los defectos de hBN cuidadosamente seleccionados muestran un comportamiento cuántico a temperatura ambiente y proporcionan un nuevo marco para dispositivos cuánticos 2D complejos.
Los enfoques teóricos desarrollados recientemente predicen que el nanomecanizado provoca la introducción de regímenes electrónicos fuertemente correlacionados en hBN. En este contexto, cuando se manipulan cortes 2D de manera experimental, es necesario crear y ajustar distorsiones estructurales en ubicaciones específicas.
Limitaciones de las técnicas actuales de ingeniería de defectos
Los defectos en hBN, además de los causados naturalmente por la modificación de la superficie, generalmente se producen por implantación de iones, irradiación con haz de electrones, acabado mecánico o tratamiento térmico térmico. Estos procesos de nanomecanizado que consumen mucha energía crean defectos en la superficie y dificultan el análisis en profundidad de características específicas.
Además, se utilizan técnicas de diagnóstico estándar como el espectrofotómetro óptico, la espectroscopia de masas y la espectroscopia de fotoluminiscencia de rayos X para evaluar la respuesta a los defectos inducidos.
Estos métodos proporcionan datos promediados sobre el volumen examinado, cubriendo un área considerable de sustancia no perturbada. Sin embargo, estos métodos actualmente no pueden distinguir entre la huella digital de un defecto local y su impacto en las propiedades locales del metal.
Por lo general, es difícil usar dispositivos con poder de resolución a nanoescala, como la microscopía electrónica de transmisión (TEM), p. en el sitio Ensayos de laboratorio de estructuras 2D. TEM proporciona una imagen de ultra alta resolución de la red cristalina de materiales. Sin embargo, la espectrometría de vacío realizada en TEM no proporciona la imagen química requerida para comprender las reacciones locales que ocurren en los sitios defectuosos.
Nuevas técnicas de nanomecanizado para la ingeniería de defectos
La microscopía de sonda de barrido (SPM) y otros métodos novedosos de nanomecanizado se han desarrollado recientemente para la ingeniería de defectos de nanomateriales 2D.
Los avances en la SPM operativa, como la interacción luz-materia y la espectroscopia nano-infrarroja, permiten la formación de vacíos restringidos en materiales 2D. Sin embargo, pocos estudios científicos han utilizado la espectroscopia nanoinfrarroja para monitorear las reacciones químicas locales en un sitio catalítico.
En este estudio, los investigadores crearon y probaron defectos locales de nanorretículos en materiales 2D utilizando las propiedades de interacción luz-materia de la microscopía de fuerza atómica (AFM) y la espectroscopía nano-infrarroja.
Se estudió el mecanismo de interacción luz-materia cerca de la punta del AFM junto con los efectos de la potencia del haz incidente, el tiempo de exposición y los factores ambientales. Se utilizó espectroscopia nanoinfrarroja para caracterizar las modificaciones en las huellas dactilares químicas asociadas con la formación de defectos.
Desarrollos importantes del estudio actual
Se descubrió que la espectroscopia nano-infrarroja se puede utilizar para detectar con eficacia defectos encontrados en escamas de hBN 2D, como pliegues, esquinas y nanoagujeros. Los patrones de infrarrojos acumulados por la espectroscopia de nano-infrarrojos proporcionan datos extensos sobre el umbral de tensión en la red y la tensión causada por las fallas de la red de panal.
Además, la capacidad de alterar la interacción luz-materia en la punta de AFM permitió la incorporación de defectos en la superficie de hBN. Esta manipulación de la interacción luz-materia ofrece una poderosa estrategia para la ingeniería de defectos en otros materiales 2D con influencias temporales, estructurales y químicas que las técnicas de defectos tradicionales no pueden igualar.
Sobre la base de estos resultados, es razonable concluir que la interacción luz-materia y el enfoque de nanomecanizado basado en espectroscopia nanoinfrarroja utilizados en este estudio pueden facilitar el control predictivo de la composición química en materiales 2D para aplicaciones como la optoelectrónica y la detección cuántica.
Relación
Torres-Dávila, FE et al. (2022). Mejora de la interacción luz infrarroja-materia para el nanomaquinado determinista y sintonizable de nitruro de boro hexagonal. nano letras. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02841
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