Nano-láminas Cristalinas Estratificadas Desbloquean 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 útiles y aplicaciones de materiales bidimensionales (2D) que contienen boro. Un grupo liderado por investigadores de la Universidad de Tsukuba ha llevado ahora la teoría a la vida al preparar las primeras nano-láminas de monosulfuro de boro (BS) 2D que pueden manejarse capa por capa para controlar sus propiedades electrónicas.

Las áreas de superficie inherentemente grandes y los diversos estados electrónicos de los materiales 2D los hacen buenos candidatos para aplicaciones en baterías y otros dispositivos. Además, combinar 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 desprendieron nanocapas individuales (2D BS), que mantuvieron el arreglo cristalino del material original.

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

La capacidad de conducir una corriente eléctrica está relacionada con la energía de banda prohibida de un material, por lo que es por tanto una propiedad clave vinculada a aplicaciones potenciales de dispositivos electrónicos. Los investigadores encontraron que la energía de banda prohibida de una sola nano-lámina BS era relativamente grande, pero disminuía sucesivamente al agregar una o dos nano-láminas adicionales. La energía de banda prohibida de la pila finalmente alcanzó el nivel del r-BS a granel después de ensamblar unas cinco láminas.

"Esta característica y la masa efectiva ligera del electrón de las nano-láminas BS indicaban que podrían servir potencialmente como materiales semiconductores tipo n con alta conductividad", dijo Kondo, "lo que las hace únicas entre otros materiales 2D conocidos que contienen boro y que no tienen bandas prohibidas."

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

De hecho, el boro está lejos de ser aburrido. Estos fenómenos inducidos por luz resaltaron el hecho de que los materiales de monosulfuro de boro 2D pueden aplicarse en dispositivos fotocatalíticos o electrónicos, y lo más importante, sus propiedades pueden ajustarse según sea necesario controlando el número de nano-láminas.