High-magnitude, spatially and directionally programmable, and sustained strain engineering of 2D semiconductors

Imagina un mundo donde los materiales que alimentan nuestros dispositivos electrónicos no son bloques gruesos de silicio, sino láminas tan delgadas que son una sola capa de átomos. Estos materiales ultra delgados, conocidos como semiconductores bidimensionales, son increíblemente fuertes y flexibles, capaces de estirarse sin romperse. Los científicos han sabido durante mucho tiempo que si se estira un material de este tipo, se puede cambiar la forma en que conduce la electricidad y cómo interactúa con la luz. Esto es similar a cómo estirar una banda de goma cambia su forma, pero en estas láminas atómicas, el estiramiento en realidad reescribe las reglas de la energía interna del material. Si los ingenieros pudieran controlar este estiramiento con precisión, podrían construir computadoras más rápidas y celdas solares más eficientes. Sin embargo, hasta ahora, los métodos utilizados para estirar estos materiales han sido torpes. Podían estirar el material una cantidad mínima, o podían estirarlo mucho pero solo por unos pocos segundos antes de que recuperara su forma original o perdiera su forma. No había una manera de mantener un estiramiento fuerte en su lugar y, al mismo tiempo, decidir exactamente dónde estirarlo y en qué dirección.

Un equipo de investigadores ha resuelto ahora este problema mediante la creación de una nueva forma de mantener estas láminas atómicas en un estado estirado durante meses a la vez, con un control total sobre el estiramiento. Lo lograron imprimiendo paisajes microscópicos sobre una superficie y luego cubriendo las láminas atómicas sobre ellos como una sábana sobre un colchón. Los investigadores utilizaron una técnica de impresión especial que puede crear diminutos valles tridimensionales con formas precisas. Tomaron una sola capa de un material llamado disulfuro de molibdeno, que es un semiconductor común, y la transfirieron cuidadosamente sobre estas superficies impresas. Debido a que el material es tan delgado y flexible, se asentó perfectamente en los valles, estirándose para adaptarse a los contornos. Al cambiar la profundidad y el ancho de estos valles, el equipo pudo controlar exactamente cuánto se estiraba el material. En algunas áreas, el material se estiró aproximadamente un 2.2 por ciento, lo cual es una cantidad significativa para un material tan delgado, y este estiramiento se mantuvo estable durante más de ocho meses.

El poder de este método reside en su precisión. Los investigadores no solo estiraron toda la lámina uniformemente; crearon un paisaje donde la cantidad de estiramiento cambiaba gradualmente de un punto a otro. Mapearon esto y descubrieron que el estiramiento cambiaba aproximadamente un 0.1 por ciento por cada micrómetro de distancia a través del material. Esto significa que podían crear un gradiente suave de deformación, permitiendo que diferentes partes de la misma lámina diminuta se comporten de manera diferente. En las áreas donde el material estaba más estirado, los investigadores midieron un cambio en la brecha de energía del material, el umbral necesario para que fluya la electricidad. Descubrieron que la brecha de energía se desplazó aproximadamente 0.4 electronvoltios, un cuarto del rango de energía natural del material. Esto confirma que, simplemente cambiando la forma de la superficie debajo, pudieron ajustar las propiedades electrónicas del material localmente.

Más allá de estirar el material en todas las direcciones a la vez, el equipo también demostró que podían estirarlo en una sola dirección. Al imprimir surcos largos, similares a zanjas, en lugar de valles redondeados, forzaron al material a estirarse más a lo largo de la longitud de la zanja que a través de ella. Esto es importante porque estirar un material en una sola dirección cambia sus propiedades de manera diferente a como lo hace estirarlo en todas las direcciones. Demostraron que podían colocar un valle redondeado y una zanja larga uno al lado del otro en una misma pieza de material, creando dos entornos de estiramiento diferentes uno junto al otro. En el valle redondeado, el material se estiraba uniformemente en todas las direcciones, mientras que en la zanja, se estiraba principalmente en una sola dirección. Esta capacidad de programar tanto la cantidad como la dirección del estiramiento dentro de una sola lámina abre nuevas posibilidades para diseñar circuitos electrónicos complejos a escala microscópica.

Los investigadores también probaron este método en una pila de dos láminas atómicas diferentes, una combinación de disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno. Descubrieron que la capa inferior, la que tocaba directamente la superficie impresa, se estiraba más que la capa superior. Esto sucedió porque las dos capas podían deslizarse ligeramente entre sí, un fenómeno conocido como deslizamiento interlaminar. Esta observación es crucial porque muestra que el método funciona incluso con pilas complejas de materiales, que suelen utilizarse para construir dispositivos avanzados. El equipo verificó sus resultados utilizando diversas herramientas. Utilizaron un láser para medir las vibraciones de los átomos para confirmar el estiramiento, y usaron una diminuta sonda eléctrica para medir cómo conducía la electricidad el material. También utilizaron simulaciones por computadora para predecir cómo se comportaría el material, y sus mediciones en el mundo real coincidieron estrechamente con estas predicciones.

Uno de los aspectos más significativos de este trabajo es la estabilidad de los resultados. Muchos intentos previos de estirar estos materiales dependían de fuerzas temporales que desaparecían rápidamente. En este estudio, los investigadores revisaron sus muestras nuevamente después de cuatro meses y luego nuevamente después de ocho meses. El estiramiento permaneció exactamente igual, sin señales de que el material se relajara o perdiera su forma. Esta estabilidad a largo plazo sugiere que el método podría utilizarse para construir dispositivos reales que necesiten funcionar de manera confiable a lo largo del tiempo. Los materiales utilizados para imprimir los paisajes microscópicos eran transparentes, lo que permitió a los investigadores mirar a través de ellos y medir las láminas atómicas sin ninguna interferencia. Aunque el material de impresión actual es un tipo de polímero, los investigadores señalaron que técnicas similares podrían utilizarse con materiales que se convierten en vidrio, lo que haría que el enfoque fuera aún más adecuado para futuros dispositivos electrónicos.

Este trabajo representa un cambio de simplemente observar cómo se comportan estos materiales a diseñar activamente su comportamiento. Al tratar la superficie debajo del material como una herramienta programable, los investigadores han creado una forma de diseñar las propiedades electrónicas y ópticas de estas láminas con alta precisión. Han demostrado que es posible crear estiramientos fuertes y duraderos que pueden adaptarse a necesidades específicas, ya sea estirando un material uniformemente, estirándolo en una sola dirección o creando un gradiente suave de estiramiento a través de una superficie. Este nivel de control podría conducir al desarrollo de nuevos tipos de sensores, celdas solares y chips de computadora que sean más ligeros, más eficientes y capaces de realizar tareas que actualmente son imposibles para los materiales tradicionales. La capacidad de mantener estas láminas en un estado estirado durante meses sin que recuperen su forma original significa que estas propiedades diseñadas no son solo un experimento fugaz, sino una característica duradera que puede integrarse en la próxima generación de tecnología.