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

Immaginate un mondo in cui i materiali che alimentano i nostri dispositivi elettronici non sono spessi blocchi di silicio, ma fogli così sottili da essere composti da un singolo strato di atomi. Questi materiali ultra-sottili, noti come semiconduttori bidimensionali, sono incredibilmente resistenti e flessibili, capaci di allungarsi senza rompersi. Gli scienziati sanno da tempo che se si allunga un tale materiale, è possibile cambiare il modo in cui conduce l'elettricità e come interagisce con la luce. Questo è simile al modo in cui tendere un elastico ne cambia la forma, ma in questi fogli atomici, l'allungamento riscrive effettivamente le regole dell'energia interna del materiale. Se gli ingegneri potessero controllare questo allungamento con precisione, potrebbero costruire computer più veloci e celle solari più efficienti. Tuttavia, fino ad ora, i metodi utilizzati per tendere questi materiali sono stati goffi. Potevano allungare il materiale solo di una piccola quantità, oppure potevano allungarlo molto, ma solo per pochi secondi prima che tornasse alla forma originale o perdesse la sua forma. Non c'era modo di mantenere una forte tensione in posizione, decidendo allo stesso tempo esattamente dove tendere e in quale direzione.

Un team di ricercatori ha ora risolto questo problema creando un nuovo modo per mantenere questi fogli atomici in uno stato teso per mesi alla volta, con il controllo totale sull'allungamento. Ci sono riusciti drapando questi fogli su paesaggi microscopici stampati sulla superficie. Hanno utilizzato una tecnica di stampa speciale in grado di creare minuscole valli tridimensionali con forme precise. Hanno preso un singolo strato di un materiale chiamato disolfuro di molibdeno, che è un comune semiconduttore, e lo hanno trasferito con cura su queste superfici stampate. Poiché il materiale è così sottile e flessibile, si è assestato perfettamente nelle valli, allungandosi per adattarsi ai contorni. Cambiando la profondità e la larghezza di queste valli, il team ha potuto controllare esattamente quanto il materiale si sarebbe allungato. In alcune aree, il materiale si è allungato di circa il 2,2 percento, una quantità significativa per un materiale così sottile, e questo allungamento è rimasto stabile per oltre otto mesi.

Il potere di questo metodo risiede nella sua precisione. I ricercatori non si sono limitati ad allungare l'intero foglio in modo uniforme; hanno creato un paesaggio in cui l'entità dell'allungamento cambiava gradualmente da un punto all'altro. Hanno mappato questo fenomeno e hanno scoperto che l'allungamento variava di circa lo 0,1 percento per ogni micrometro di distanza attraverso il materiale. Ciò significa che potevano creare un gradiente di deformazione fluido, permettendo a diverse parti dello stesso minuscolo foglio di comportarsi diversamente. Nelle aree in cui il materiale era più teso, i ricercatori hanno misurato una variazione nel gap energetico del materiale, ovvero la soglia necessaria affinché l'elettricità fluisca. Hanno scoperto che il gap energetico si è spostato di circa 0,4 elettronvolt, ovvero un quarto dell'intervallo energetico naturale del materiale. Questo conferma che, semplicemente cambiando la forma della superficie sottostante, potevano modulare localmente le proprietà elettroniche del materiale.

Oltre al semplice allungamento in tutte le direzioni contemporaneamente, il team ha anche dimostrato di poterlo tendere in una sola direzione. Stampando solchi lunghi e simili a trincee invece di valli tonde, hanno costretto il materiale a tendersi maggiormente lungo la lunghezza della trincea rispetto alla sua larghezza. Questo è importante perché tendere un materiale in una sola direzione ne cambia le proprietà in modo diverso rispetto al tendere in tutte le direzioni. Hanno dimostrato di poter posizionare una valle rotonda e una trincea lunga l'una accanto all'altra sullo stesso pezzo di materiale, creando due diversi ambienti di tensione fianco a fianco. Nella valle rotonda, il materiale si tendeva uniformemente in tutte le direzioni, mentre nella trincea si tendeva principalmente in una sola direzione. Questa capacità di programmare sia l'entità che la direzione dell'allungamento all'interno di un singolo foglio apre nuove possibilità per la progettazione di circuiti elettronici complessi su scala microscopica.

I ricercatori hanno anche testato questo metodo su una pila di due diversi fogli atomici, una combinazione di disolfuro di molibdeno e disolfuro di tungsteno. Hanno scoperto che lo strato inferiore, che toccava direttamente la superficie stampata, si tendeva più dello strato superiore. Ciò accadeva perché i due strati potevano scivolare leggermente l'uno sull'altro, un fenomeno noto come scorrimento inter-strato. Questa osservazione è cruciale perché mostra che il metodo funziona anche con pile complesse di materiali, che sono spesso utilizzate per costruire dispositivi avanzati. Il team ha verificato i propri risultati utilizzando diversi strumenti. Hanno usato un laser per misurare le vibrazioni degli atomi per confermare l'allungamento, e hanno usato una minuscola sonda elettrica per misurare come il materiale conduceva l'elettricità. Hanno anche utilizzato simulazioni al computer per prevedere come si sarebbe comportato il materiale, e le loro misurazioni nel mondo reale hanno corrisposto da vicino a tali previsioni.

Uno degli aspetti più significativi di questo lavoro è la stabilità dei risultati. Molti tentativi precedenti di tendere questi materiali si basavano su forze temporanee che svanivano rapidamente. In questo studio, i ricercatori hanno ricontrollato i loro campioni dopo quattro mesi e poi di nuovo dopo otto mesi. L'allungamento è rimasto esattamente lo stesso, senza alcun segno che il materiale si rilassasse o perdesse la sua forma. Questa stabilità a lungo termine suggerisce che il metodo potrebbe essere utilizzato per costruire dispositivi reali che debbano funzionare in modo affidabile nel tempo. I materiali utilizzati per stampare i paesaggi microscopici erano trasparenti, il che ha permesso ai ricercatori di guardare attraverso di essi e misurare i fogli atomici senza alcuna interferenza. Sebbene l'attuale materiale di stampa sia un tipo di polimero, i ricercatori hanno notato che tecniche simili potrebbero essere utilizzate con materiali che si trasformano in vetro, il che renderebbe l'approccio ancora più adatto ai futuri dispositivi elettronici.

Questo lavoro rappresenta un passaggio dal semplice osservare come questi materiali si comportano al progettare attivamente il loro comportamento. Trattando la superficie sottostante il materiale come uno strumento programmabile, i ricercatori hanno creato un modo per ingegnerizzare le proprietà elettroniche e ottiche di questi fogli con alta precisione. Hanno dimostrato che è possibile creare allungamenti forti e duraturi che possono essere personalizzati in base alle necessità, che si tratti di tendere un materiale uniformemente, di tenderlo in una sola direzione o di creare un gradiente fluido di allungamento attraverso una superficie. Questo livello di controllo potrebbe portare allo sviluppo di nuovi tipi di sensori, celle solari e chip per computer più leggeri, più efficienti e capaci di svolgere compiti che sono attualmente impossibili con i materiali tradizionali. La capacità di mantenere questi materiali in uno stato teso per mesi senza che tornino alla forma originale significa che queste proprietà ingegnerizzate non sono solo un esperimento fugace, ma una caratteristica durevole che può essere integrata nella prossima generazione di tecnologie.