Capas de nanoláminas cristalinas permiten propiedades electrónicas ajustables

El boro es un elemento no metálico versátil, pero hasta los últimos cinco años, los químicos solo han teorizado sobre las propiedades y aplicaciones útiles de los materiales bidimensionales (2D) que contienen boro. Un grupo dirigido por investigadores de la Universidad de Tsukuba ahora ha dado vida a la teoría al preparar las primeras nanoláminas de monosulfuro de boro (BS) 2D que se pueden manipular capa por capa para controlar sus propiedades electrónicas.

Las áreas de superficie inherentemente grandes y los diversos estados electrónicos de los materiales 2D los convierten en buenos candidatos para aplicaciones en baterías y otros dispositivos. Además, la combinación de bloques de construcción 2D en materiales novedosos puede permitir un mayor control sobre sus funcionalidades. Estudios computacionales previos habían sugerido que BS podría adoptar varias estructuras 2D estables con propiedades únicas. Por lo tanto, los investigadores fabricaron un material a granel de boro:sulfuro 1:1, que tenía una estructura cristalina romboédrica (un rombo tridimensional) (r-BS), y luego eliminaron las nanocapas individuales (2D BS), que mantuvieron el material original. arreglo cristalino.

"Nuestro análisis confirmó lo que habían predicho nuestros propios cálculos", dice el líder del grupo de investigación, el profesor Takahiro Kondo. "Es decir, las nanoláminas de BS tenían una energía de banda prohibida diferente a la del material a granel y, lo que es más importante, la brecha de banda podía ajustarse en función del número de láminas de BS 2D apiladas".

La capacidad de conducir una corriente eléctrica está relacionada con la energía de banda prohibida de un material, por lo que es una propiedad clave vinculada a posibles aplicaciones de dispositivos electrónicos. Los investigadores encontraron que la energía de banda prohibida de una sola nanolámina de BS era relativamente grande, pero disminuyó sucesivamente a medida que agregaban una o dos capas de nanoláminas adicionales. La energía de banda prohibida de la pila finalmente alcanzó el nivel del r-BS a granel después de ensamblar unas cinco hojas.

"Esta característica y la masa de electrones efectivos de luz de las nanoláminas BS indicaron que podrían servir potencialmente como materiales semiconductores de tipo n con alta conductividad", dijo Kondo, "lo que los hace únicos entre otros materiales 2D que contienen boro conocidos que no tienen bandas prohibidas".

Debido a sus distintas estructuras de banda prohibida, los electrodos que comprenden r-BS o 2D BS respondieron a diferentes longitudes de onda de luz. El r-BS requería una irradiación de menor energía (luz visible) para conducir una corriente y exhibir un comportamiento fotocatalítico, mientras que la banda prohibida más grande del BS 2D solo estaba activa bajo luz ultravioleta de mayor energía.

De hecho, el boro está lejos de ser aburrido. Estos fenómenos inducidos por la luz destacaron el hecho de que los materiales de monosulfuro de boro 2D se pueden aplicar en dispositivos fotocatalíticos o electrónicos y, lo que es más importante, sus propiedades se pueden ajustar según sea necesario controlando la cantidad de nanoláminas.