Faseovergangsdynamik i todimensionelle materialer

Forskere fra National University of Singapore har opdaget mekanismen involveret, når overgangsmetal-dichalcogenider på metalliske substrater transformerer fra den halvledende 1H-fase til den kvasi-metalliske 1T'-fase.

Todimensionelle overgangsmetal dichalcogenider (2-D-TMD'er) såsom monolag molybdændisulfid (MoS ₂ ) er atomtynde halvledere, hvor et lag af overgangsmetalatom er klemt mellem to lag chalcogenatomer, i form MX2. De kan eksistere i både en halvledende 1H-fase og en quasi-metallisk 1T'-fase, med hver deres forskellige krystalstruktur. 1T'-fasen er særlig interessant, da teoretiske forudsigelser viser, at den har potentiale til at blive brugt i mindre konventionelle applikationer, såsom superkondensatorelektroder og hydrogenudviklingsreaktionskatalysatorer. Imidlertid, mængden af ​​1T'-fase 2-D-TMD'er, der kan opnås ved at omdanne dem fra 1H-fasen gennem en faseovergangsproces, er lav. Dette begrænser potentielt brugen af ​​sådanne nye materialer til en bred vifte af anvendelser.

Et forskerhold ledet af professor Andrew Wee fra Institut for Fysik ved National University of Singapores (NUS) Naturvidenskabelige Fakultet har opdaget, at mens forskellige 2-D-TMD-materialer har deres egne iboende energibarrierer, når de overføres fra 1H til 1T 'strukturel fase, brugen af ​​et metallisk substrat med højere kemisk reaktivitet kan øge 1H- til 1T'- faseovergangsudbyttet betydeligt. Dette er en bekvem og højtydende metode til at opnå 2-D-TMD materialer i deres 1T' metalliske fase. Når 2-D-TMD-materialet placeres i kontakt med metalsubstratet, såsom guld, sølv og kobber, elektriske ladninger overføres fra metalsubstratet til 2-D-TMD-materialet. Desuden, det svækker bindingsstyrken af ​​2-D-TMD strukturen betydeligt, og øger størrelsen af ​​grænsefladebindingsenergien. Dette øger igen modtageligheden af ​​1H-1T 'strukturelle faseovergang. Som resultat, denne forbedrede grænsefladehybridisering ved grænsefladen mellem de to materialer gør 1H-1T' strukturelle faseovergang meget lettere at opnå.

NUS-forskerteamet kombinerede flere eksperimentelle teknikker og førsteprincipberegninger i deres forskningsarbejde. Disse omfatter optiske spektroskopier, højopløsningstransmissionselektronmikroskopi og tæthedsfunktionel teori baseret på første principberegninger for at identificere faseændringerne - både 1H- og 1T'-faserne - af 2-D-TMD'erne i prøverne.

Denne undersøgelse giver ny indsigt i indflydelsen af ​​grænsefladehybridisering, der påvirker faseovergangsdynamikken af ​​2-D-TMD'er. Resultaterne kan potentielt bruges i et modelsystem til kontrolleret vækst af 2-D-TMD'er på metalliske substrater, skabe muligheder for nye 2-D-TMDs-baserede enhedsapplikationer.

Prof Wee sagde, "Styringen af ​​halvleder til metalfaseovergang ved 2-D-TMD- og metalgrænseflader kan muliggøre nye apparatapplikationer, såsom elektroder med lav kontaktmodstand."