Præcisionseksperimenter afslører huller i van der Waals teori

Opdagelsen af ​​grafen, med sit høje styrke-til-vægt-forhold, fleksibilitet, elektrisk ledningsevne, og evnen til at danne en uigennemtrængelig barriere, førte til en eksplosion af interesse for 2-D faste stoffer. Svag, langtrækkende interaktioner giver 2-D faste stoffer nogle af deres mest interessante adfærd; derfor, forståelse af disse interaktioner er afgørende for at videreudvikle disse materialer. Imidlertid, eksperimentel støtte til teoretisk modellering af van der Waals -interaktioner, der holder disse materialers lag sammen, har ønsket sig.

Nu, en international forskningsgruppe ledet af University of Tsukuba og Aarhus University har udført synkrotron røntgendiffraktionsforsøg på titandisulfid (TiS2)-et overgangsmetaldichalogenid (TMD) materiale med en lagdelt 2-D struktur-og sammenlignet resultaterne med teoretisk beregninger. Deres benchmark -arbejde blev for nylig offentliggjort i Naturmaterialer .

"Samspillet mellem lag i van der Waals materialer som TiS2 har en betydelig betydning for deres modifikation, forarbejdning, og samling, "siger medforfatter til undersøgelsen Eiji Nishibori." Ved at modellere eksperimentelle synkrotrondata og sammenligne dem med tæthedsfunktionelle teoriberegninger, vi afslørede overraskende information om arten af ​​elektrondeling mellem lag i disse materialer. "

TiS2 er et arketypisk van der Waals -materiale, med lag omfattende titan- og svovlplader, der interagerer gennem stærke kemiske bindinger, hvor elektroner deles mellem atomer, resulterer i en relativt fast struktur. Mellem disse ark, langtrækkende S ... S van der Waals interaktioner tiltrækker lagene til hinanden, så de kan bygge op, danner faste materialer. Disse interaktioner vides at være meget svagere end dem i 2-D-arkene, imidlertid, ved hjælp af høj-energi synkrotron røntgenstråling til præcist at måle en enkelt TiS2 krystal, forskerne var i stand til at vise, at interlagsinteraktionerne faktisk er stærkere end teorien indikerer, og involverer betydelig elektrondeling.

"Dette arbejde giver en grundlæggende forståelse af en spændende klasse af materialer med mange potentielle anvendelser inden for teknologier såsom ionbatterier, katalyse, og superledere, "siger hovedforfatter Hidetaka Kasai." Vores eksperimenter er de første til at afsløre den sande natur af de interaktioner, der gør 2-D materialer så interessante, og vi håber, at de vil understøtte mange fremtidige udviklinger på dette område. "

Den udestående overensstemmelse mellem synkrotrondiffraktionsdataene med teoretiske beregninger til beskrivelse af Ti-S-interaktionerne mellem lagene, understøtter gyldigheden af ​​disse nyfundne forskelle for langdistanceinteraktioner på tværs af mellemlagets huller. Resultaterne forventes i væsentlig grad at bidrage til den grundlæggende forståelse af svag kemisk binding i 2-D lagdelte materialer generelt, og til udvikling af TMD -materialer.