Un team interdisciplinare del Cnr e dell’Università degli Studi di Firenze ha modificato artificialmente un materiale dello spessore di appena un singolo strato atomico, per renderlo capace di conservare carica elettrica per tempi molto lunghi e di modificare in modo controllato la propria capacità di emettere luce. Il materiale, descritto su Nano Letters, presenta proprietà di grande interesse per l’optoelettronica, le batterie e la realizzazione di superfici funzionali avanzate
Un materiale spesso appena un singolo strato atomico, capace di conservare carica elettrica per tempi molto lunghi e di modificare in modo controllato la propria capacità di emettere luce. È il risultato ottenuto da un team interdisciplinare del Consiglio Nazionale delle ricerche – Istituti per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (Cnr-Ismn), per la Microelettronica e Microsistemi (Cnr-Imm) e dei Materiali per l’Elettronica e il Magnetismo (Cnr-Imem) – insieme a colleghi dell’Università degli Studi di Firenze. Lo studio, pubblicato su Nano Letters, riguarda il disolfuro di molibdeno (MoS₂), composto che, quando è ridotto a un singolo strato atomico, presenta proprietà elettroniche e ottiche di grande interesse tecnologico.
“La chiave della scoperta è il controllo estremamente preciso di alcuni difetti della struttura atomica
del materiale, piccoli siti in cui mancano atomi di zolfo chiamati vacanze di zolfo”, afferma
Massimiliano Cavallini (Cnr-Ismn). “Con una tecnica di nanolitografia elettrochimica sviluppata dal
gruppo di ricerca, i ricercatori sono riusciti a introdurre e distribuire questi difetti secondo schemi
controllati, con precisione sub-micrometrica. In questo modo il materiale risulta in grado di mantenere
una carica elettrica per tempi molto lunghi: una sorta di memoria elettrostatica racchiusa in uno
spessore di un atomo”.
La disposizione dei difetti atomici riguarda soltanto la capacità di immagazzinare carica e permette
di modificare il modo in cui il materiale emette luce. “Oltre allo stoccaggio di carica elettrostatica
ottenuto in modo spazialmente controllato, siamo riusciti a modulare l’emissione di luce degli
eccitoni, le entità fisiche che descrivono l’interazione tra un elettrone e una lacuna elettronica”,
prosegue Cavallini. “In particolare, vengono controllate le zone nelle quali il materiale può emettere
luce e il tempo di vita della fluorescenza, che passa da decine di nanosecondi a poche centinaia di
picosecondi. Variazione che mostra come l’ingegnerizzazione dei difetti atomici sia uno strumento
efficace per regolare la risposta ottica ed elettrica del materiale bidimensionale”.
La ricerca dimostra che i difetti atomici non sono necessariamente imperfezioni da eliminare: se controllati con precisione, possono diventare una risorsa per dare nuove proprietà ai materiali. Integrare in un singolo strato atomico la conservazione della carica elettrica e la modulazione delle proprietà ottiche apre nuove prospettive per lo studio di materiali bidimensionali multifunzionali, che riguardano l’optoelettronica, i dispositivi di memoria, batterie e la realizzazione di superfici funzionali avanzate.
Il lavoro è stato realizzato nell’ambito del progetto PRIN Molecular Assisted atom Vacancies Arrangement to modulate Magnetism in 2D transition metal dichalcogenides (MAVAM) finanziato dal MUR – European Union – Next Generation EU.
