Un equipo de investigación dirigido por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía ha desarrollado un método único para observar cambios en materiales a nivel atómico. Esta técnica abre nuevas vías para comprender y desarrollar materiales avanzados para la computación y la electrónica cuánticas.
La nueva técnica, llamada Sistema de acción y detección rápida de objetos, o RODAS, combina métodos de imágenes, espectroscopia y microscopía para capturar las propiedades de las estructuras atómicas a medida que se forman, proporcionando información sin precedentes sobre cómo se desarrollan las propiedades de los materiales a la escala más pequeña.
Los métodos tradicionales que combinan microscopía electrónica de transmisión de barrido, o STEM, con espectroscopía de pérdida de energía electrónica, o EELS, son limitados porque el haz de electrones puede alterar o degradar el material que se analiza. Esta dinámica a menudo hace que los científicos midan estados alterados en lugar de propiedades materiales deseadas. RODAS supera la limitación y también integra el sistema con imágenes dinámicas habilitadas para visión por computadora, que utiliza aprendizaje automático en tiempo real.
Al analizar una muestra, RODAS se centra únicamente en áreas de interés. Este enfoque permite un análisis rápido, en segundos o milisegundos, en comparación con los minutos que a veces pueden requerir otros métodos STEM-EELS. Es importante destacar que RODAS extrae información importante sin destruir la muestra.
Todos los materiales tienen defectos, y estos defectos pueden afectar directamente las propiedades de cualquier material, ya sea electrónico, mecánico o cuántico. Los defectos pueden organizarse a nivel atómico de diversas formas, tanto intrínsecamente como en respuesta a estímulos externos, como la irradiación de un haz de electrones. Desafortunadamente, las propiedades espaciales de estas diferentes configuraciones de defectos no se comprenden bien. Aunque los métodos STEM pueden medir experimentalmente tales configuraciones, es extremadamente difícil investigar configuraciones específicas sin cambiarlas.
“Comprender la disposición de los defectos es fundamental para desarrollar materiales de próxima generación”, dijo Kevin Rocaprevor del Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos de ORNL, autor principal del estudio. “Si contamos con este conocimiento, podemos crear deliberadamente una configuración específica para producir un rasgo particular. Tal trabajo está completamente separado de la actividad de observación y análisis, pero es un potencial para el futuro, pero representa la dirección efectiva”.
Liberando el potencial de los materiales cuánticos
El equipo de investigación demostró su técnica con disulfuro de molibdeno de una sola capa, un material semiconductor prometedor para aplicaciones de óptica y computación cuántica. El disulfuro de molibdeno es particularmente interesante porque puede emitir fotones individuales a partir de defectos conocidos como vacantes únicas de azufre. En este material, la vacancia única de azufre se refiere a la ausencia de un átomo de azufre en su estructura reticular alveolar, que es la disposición de los átomos. Estas vacantes pueden producir colectivamente propiedades electrónicas únicas que hacen que el disulfuro de molibdeno sea valioso para aplicaciones tecnológicas avanzadas.
Al estudiar el disulfuro de molibdeno y materiales monocapa similares, los científicos esperan responder preguntas importantes sobre propiedades ópticas o electrónicas a escala atómica.
Nuevas fronteras en la ciencia de los materiales
La técnica RODAS representa un importante avance en la caracterización de materiales. Permite a los investigadores explorar dinámicamente las relaciones estructura-propiedad durante el análisis, apuntar a átomos o defectos específicos para la medición, recopilar datos de manera eficiente sobre diferentes tipos de defectos y descubrir nuevos átomos o clases de defectos en tiempo real. Análisis
Al aplicar esta tecnología a una capa de disulfuro de molibdeno dopado con vanadio, el equipo de investigación obtuvo nuevos conocimientos sobre la formación y evolución de defectos bajo la exposición a un haz de electrones. Este enfoque permite la detección y caracterización de materiales en estados dinámicos, ofreciendo un conocimiento más profundo de cómo se comportan los materiales ante diferentes estímulos.
“Las técnicas de la ciencia de los materiales, como la microscopía electrónica avanzada, están ampliando nuestra comprensión del mundo físico, y sistemas como RODAS pueden desempeñar un papel importante a la hora de acelerar el descubrimiento y la innovación”, afirmó Roccapriore. “La capacidad de observar y analizar materiales a escala atómica en tiempo real muestra el potencial de ampliar los límites de la informática, la electrónica y más allá, y, en última instancia, permitir el desarrollo de tecnologías transformadoras”.
El Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorios de ORNL patrocinó el trabajo como parte de su iniciativa Ecosistema Científico Interconectado, o INTERSECT. Los experimentos STEM fueron apoyados por la División de Ingeniería, Ciencias de Materiales y Ciencias Energéticas Básicas de la Oficina de Ciencias del DOE y se realizaron en el Centro de Instalaciones para Usuarios de Ciencias de Materiales Nanofásicos de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Este trabajo fue apoyado como parte del Centro para la Ciencia de la Síntesis a través de Escalas, un centro de investigación de la frontera energética financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE en la Universidad de Washington.
