Undersøgelsesdetaljer, hvorfor 2D-molybdændisulfiddannelse får et hastighedsboost fra salt

Det er uhøfligt at springe frem i køen, men nogle gange er det acceptabelt. Især til salt.

Materialeteoretikeren ved Rice University, Boris Yakobson, viser hvorfor i sin opfølgning på en undersøgelse fra 2018, der viste, hvordan salt forenkler dannelsen af ​​værdifuldt 2D-molybdændisulfid (MoS₂ ) med en første-princippet analyse af processen, der kunne forfine den endnu mere.

Den teoretiske undersøgelse af Yakobson og kollegerne Jincheng Lei, Yu Xie og Alex Kutana, alle alumner fra hans laboratorium, og forsker Ksenia Bets viser gennem simulering af energier på atomniveau, hvorfor salt - især iodiseret salt - sænker reaktionstemperaturen i en kemisk damp deposition (CVD) ovn nødvendig for at danne MoS₂ .

Det gør det ved at hjælpe med at springe nogle trin over og springe over høje energibarrierer i konventionel CVD-vækst for at give langt mere MoS₆ , en vigtig forløber for 2D MoS₂ .

Deres undersøgelse i Journal of the American Chemical Society fokuseret på, hvordan salt sænker aktiveringsbarrierer for at øge svovldannelsen af ​​molybdænoxyhalogenider, gasråmaterialet i MoS₂ krystallisation.

MoS₂ er en naturlig forbindelse kendt i bulkform som molybdenit, og i 2D-form er meget eftertragtet for sine halvledende egenskaber, som lover fremskridt inden for elektroniske, optoelektroniske, spintroniske, katalytiske og medicinske applikationer. Men 2D MoS₂ forbliver svært at fremstille i kommercielle mængder.

Rice-teamet gik først ind i kampen, da laboratorier i Singapore, Kina, Japan og Taiwan brugte salt til at lave et "bibliotek" af 2D-materialer, der kombinerede overgangsmetaller og chalcogener. Hvorfor det fungerede så godt var et mysterium, og fik dem til at bruge Yakobson-laboratoriets ekspertise i modellering af materialer – selv kun teoretiske – fra bunden.

Deres omfattende modeller viser, at mens de internationale laboratorier brugte chloridsalte til at lave deres materialebibliotek, er de iodidsalte, der almindeligvis findes på køkkenborde, bedre til at fremskynde syntesen af ​​MoS₂ .

"Hurtig og storstilet syntese er bydende nødvendigt for den udbredte anvendelse af MoS₂ ," sagde Lei. "Vi studerede omhyggeligt hele vækstprocessen i håb om at optimere den så meget som muligt. Det viste sig, at ved blot at ændre klorid til iodid, kunne man syntetisere MoS₂ meget hurtigere ved endnu lavere væksttemperaturer."

Dette sker, når salt og forstadiet danner et eutektikum, en blanding af stoffer, der smelter og størkner ved en enkelt temperatur, der er lavere end smeltepunkterne for bestanddelene.

"Efter at salt-assisteret syntese har vist sig at muliggøre væksten af ​​mange flere TMD (transition metal dichalcogenide) forbindelser, end det var muligt på forhånd og væsentligt forbedrede vækstbetingelser for tidligere syntetiserede, blev det klart, at der er noget særligt ved denne proces," Bets sagde.

"Nogle eksperimentelle grupper forsøgte at undersøge nærmere, men overvågning af den molekylære sammensætning af gasfasen under vækstbetingelser er ikke en enkel opgave," sagde hun. "Selv da kan du ikke se hele billedet.

"Vi var meget grundige og fulgte op på Jinchengs arbejde med mekanismen for konventionel MoS₂ vækst. Vi simulerede alle dele af processen, fra svovldannelse til 2D krystalvækst. Denne omfattende tilgang gav pote."

I simuleringer observerede Rice-teamet direkte hele svovldannelsesprocessen, da oxygen- og kloratomer gradvist blev erstattet af svovl i MoO₂ Cl₂ , en almindelig forløber, under CVD-betingelser.

Laboratoriet sagde, at den eutektiske effekt kan være et almindeligt fænomen i CVD-syntesen af ​​2D dichalcogenid-monolag og derfor værd at fortsætte undersøgelsen. + Udforsk yderligere

Lab-peers i 2D-krystalsyntese