Un nuevo método de exfoliación de MoS2 asistido por microondas produce copos de grandes dimensiones con un alto rendimiento

Chemistry of Low Dimensional Materials Group (IMDEA Nanociencia)

• Un equipo de investigadores ha probado un nuevo método para exfoliar MoS₂ que produce copos de gran tamaño lateral y con un alto rendimiento.

• La exfoliación asistida por microondas produce 50 veces más copos que los obtenidos mediante ultrasonidos y proporciona una calidad del material comparable a la obtenida mediante exfoliación mecánica.

• Este rápido método requiere un procesamiento mínimo y promete facilitar nuevas aplicaciones en electrónica y fotónica.

Un equipo de investigadores ha desarrollado un nuevo método para exfoliar MoS₂que produce copos grandes y muy delgados con un alto rendimiento. MoS₂es un dicalcogenuro de metal de transición, un material muy interesante en el campo de la electrónica por su amplio espectro de propiedades físicas, llegando a ser desde semimetálico hasta semiconductor, superconductor o aislante, dependiendo de sus dimensiones. El número de capas apiladas es crucial para determinar estas propiedades. El MoS₂monocapa, por ejemplo, exhibe una bandgap directo de 1.90 eV, mientras que el grueso de 2H- MoS₂ presenta un bandgap indirecto de 1.23 eV. Estas propiedades personalizables convierten a los dicalcogenuros en candidatos ideales para aplicaciones. Sin embargo, la obtención de copos MoS₂de alta calidad y con un gran área ha demostrado ser todo un desafío.

Los métodos de exfoliación en fase líquida existentes presentan bajos rendimientos y, a menudo, dan como resultado amplias distribuciones de espesor de los copos, lo que dificulta la obtención de 2H- MoS₂ monocapa y de pocas capas. En un intento por mejorar el rendimiento, los investigadores han explorado otras técnicas, como la exfoliación por medios mecánicos, la electroquímica o la que utilizan fuerzas hidrodinámicas. Sin embargo, estos métodos tienen problemas de escalabilidad o producen 1T- MoS₂ metálico, que tiene diferentes propiedades y aplicaciones.

El equipo, liderado por los profesores Víctor Sebastián y Jesús Santamaría del Instituto de Nanociencia y Materiales de Zaragoza (INMA CSIC-UNIZAR), y el profesor Emilio M. Pérez del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia, ambos en España, han probado un novedoso método asistido por microondas para exfoliar copos de MoS₂. Encontraron que el método producía material bien exfoliado con tamaños laterales comparables a los obtenidos por exfoliación mecánica. El rendimiento del proceso es aproximadamente 50 veces mayor que los métodos de exfoliación por ultrasonidos. Proporciona una calidad de material comparable a la exfoliación mecánica, cuyos copos son similares a las obtenidas por este método pero con un rendimiento incomparablemente mayor (¡la exfoliación mecánica se lleva a cabo copo a copo!). El proceso es rápido, toma solo unos minutos y requiere un procesamiento mínimo.

Este método toma lo mejor de ambos mundos (exfoliación mecánica y de fase líquida), mejorando los resultados de cada caso en términos de espesor, tamaño lateral, rendimiento y tiempo de procesamiento. El método probado por los investigadores representa un avance significativo en el campo de la exfoliación de MoS₂, ofreciendo un proceso de alto rendimiento, rápido y asistido por microondas que produce copos de MoS₂ bien exfoliados y de pocas capas.

El método tiene el potencial de permitir nuevas aplicaciones de MoS₂ en dispositivos electrónicos y fotónicos. En este caso, se ha aplicado a MoS₂, pero podría usarse para exfoliar cualquier material con altas capacidades de absorción de microondas, siendo un enfoque versátil en el área emergente de materiales 2-dimensionales (2D). Los investigadores planean estudiar el método más a fondo, explorando su escalabilidad y potenciales aplicaciones con más detalle.

¿Qué es lo más emocionante de sus resultados?

EMP y VS: Para mí, es el tamaño lateral de los copos. Los materiales 2D tienen que ser muy delgados, por supuesto, y ese es el objetivo de los métodos de exfoliación, pero a menudo se pasa por alto que, para la mayoría de las aplicaciones, también se desea que sean grandes en tamaño lateral. Pero obtener escamas grandes y delgadas al mismo tiempo, así como con alto rendimiento, no es fácil, ya que todos los métodos de exfoliación se reducen a agregar algún tipo de energía al material a granel, para superar las interacciones de van der Waals entre capas. Y es difícil evitar que esa misma energía cause daño lateral al mismo tiempo. Nuestro método logra utilizar microondas para evaporar moléculas de disolvente entre capas, creando una alta presión entre ellas muy rápidamente, de modo que puedan separarse, pero no se dañen.  

¿Cuáles son las potenciales aplicaciones de este método?

EMP y VS: Los materiales 2D en general, y los dicalcogenuros de metales de transición en particular, son prometedores para muchas tecnologías (sensores, electrónica, etc.), pero obviamente todo comienza con la fabricación de estos materiales con una buena calidad, idealmente en grandes cantidades y a bajo costo. Aquí es donde nuestro trabajo puede contribuir. No es un paso hacia una nueva tecnología específica, sino más bien una herramienta para ayudar a que toda la esperanza depositada en los materiales 2D se convierta en realidad.  

Este trabajo es el resultado de una exitosa colaboración entre científicos del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA Nanociencia, Madrid), y el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón INMA (Universidad de Zaragoza-CSIC). Ha sido parcialmente financiado por las subvenciones ERC-PoC 842606, ERC-AdG 742684 y el proyecto MAD-2D de la Comunidad de Madrid, así como el sello Centro de Excelencia Severo Ochoa otorgado a IMDEA Nanociencia en 2017.

Palabras clave: dicalcogenuros de metales de transición, disulfuro de molibdeno, exfoliación por microondas, copos ultrafinos de gran área, alto tamaño lateral, proceso de alto rendimiento

Referencia

Ramiro Quirós-Ovies, María Laborda, Natalia Martín Sabanés, Lucía Martín-Pérez, Sara Moreno-Da Silva, Enrique Burzurí, Víctor Sebastian, Emilio M. Pérez, and Jesús Santamaría. Microwave-driven exfoliation of bulk 2h- MoS₂ after acetonitrile prewetting produces large-area ultrathin flakes with exceptionally high yield. ACS Nano (2023). DOI: 10.1021/acsnano.3c00280

Contacto

Emilio Pérez, Reponsable del grupo Chemistry of Low Dimensional Materials e Investigador responsable del Grupo ChemLowD del Programa FotoArt-CM.
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.