Kan materiale, der konkurrerer med grafen, udvindes fra sten? Ja, hvis...

Vil et atom-tykke lag af molybdæn disulfid, en forbindelse, der forekommer naturligt i sten, vise sig at være bedre end grafen til elektroniske applikationer? Der er mange tegn, der kan vise sig at være tilfældet. Men fysikere fra Det Fysiske Fakultet ved universitetet i Warszawa har vist, at fænomenernes natur i lagdelte materialer stadig er dårligt forstået og kræver yderligere forskning.

Graphene er allerede blevet hyldet som fremtidens elektronik. Bygget af seks-atom carbonringe arrangeret i en bikage-lignende struktur, den danner ekstremt modstandsdygtige plader, kun et enkelt atom tykt. Imidlertid, vi kender til andre materialer, der har et lignende, lagdelt struktur. Vigtigere, nogle af dem, såsom molybdendisulfid, har egenskaber lige så spændende som grafens.

Forskere ved universitetet i Warszawa, Fakultet for Fysik (FUW) har vist, at de fænomener, der forekommer i krystalnetværket af molybdendisulfidark, er af en lidt anden karakter end tidligere antaget. En rapport, der beskriver opdagelsen, opnået i samarbejde med Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses i Grenoble, er for nylig blevet offentliggjort i Anvendt fysik bogstaver .

"Det bliver ikke muligt at konstruere komplekse elektroniske systemer bestående af individuelle atomark, før vi har en tilstrækkelig god forståelse af fysikken involveret i fænomenerne, der forekommer inden for krystalnetværket af disse materialer. Vores forskning viser, imidlertid, at forskning stadig har en lang vej at gå på dette område ", siger prof. Adam Babiński ved UW Fysisk Fakultet.

Den enkleste metode til at skabe grafen kaldes eksfoliering:et stykke scotch tape sidder først fast på et stykke grafit, derefter skrællet af. Blandt de partikler, der sidder fast på båndet, man kan finde mikroskopiske lag af grafen. Dette skyldes, at grafit består af mange grafenark, der støder op til hinanden. Kulstofatomerne i hvert lag er meget stærkt bundet til hinanden (ved kovalente bindinger, som grafen skylder sin legendariske modstandskraft), men de enkelte lag holdes sammen af ​​betydeligt svagere bindinger (van de Walls -bindinger). Almindelig tape er stærkt nok til at bryde sidstnævnte og til at rive individuelle grafenplader væk fra grafitkrystallen.

For et par år siden blev det bemærket, at ligesom grafen kan fås fra grafit, plader med et enkelt atom tykt kan på samme måde fås fra mange andre krystaller. Dette er lykkedes for eksempel, med overgangsmetaller chalcogenider (sulfider, selenider, og tellurider). Lag af molybdendisulfid (MoS2), i særdeleshed, har vist sig at være et meget interessant materiale. Denne forbindelse findes i naturen som molybdenit, et krystalmateriale, der findes i klipper rundt om i verden, tager ofte den karakteristiske form af sølvfarvede sekskantede plader. I årevis har molybdenit været brugt til fremstilling af smøremidler og metallegeringer. Ligesom i tilfælde af grafit, egenskaberne ved enkeltatom-plader af MoS2 gik længe ubemærket hen.

Set fra applikationer inden for elektronik, molybdendisulfidplader udviser en betydelig fordel i forhold til grafen:de har et energigab, et energiområde, inden for hvilket der ikke kan eksistere elektrontilstande. Ved at anvende elektrisk felt, materialet kan skiftes mellem en tilstand, der leder elektricitet, og en, der opfører sig som en isolator. Ved aktuelle beregninger, en slukket molybdendisulfid-transistor ville forbruge så mange som flere hundrede tusinde gange mindre energi end en siliciumtransistor. Graphene, på den anden side, har ingen energigab og transistorer fremstillet af grafen kan ikke slukkes helt.

Værdifuld information om en krystal struktur og fænomener, der forekommer i den, kan opnås ved at analysere, hvordan lyset spredes i materialet. Fotoner af en given energi absorberes normalt af materialets atomer og molekyler, derefter genudsendt med den samme energi. I spektret af det spredte lys kan man så se en karakteristisk top, svarende til den energi. Det viser sig, imidlertid, at en ud af mange millioner fotoner ellers kan bruge noget af sin energi, for eksempel at ændre vibrationer eller cirkulation af et molekyle. Den omvendte situation opstår også nogle gange:en foton kan fjerne noget af energien i et molekyle, og derfor stiger dens egen energi en smule. I denne situation, kendt som Raman -spredning, to mindre toppe observeres til hver side af hovedtoppen.

Forskerne ved UW Fysisk Fakultet analyserede Raman-spektrene for molybdendisulfid, der fortsatte mikroskopiske målinger ved lav temperatur. Udstyrets højere følsomhed og detaljerede analysemetoder gjorde det muligt for teamet at foreslå en mere præcis model af de fænomener, der forekommer i krystalnetværket af molybdendisulfid.

"I tilfælde af enkeltlagsmaterialer, formen på Raman -linjerne er tidligere blevet forklaret i form af fænomener, der involverer visse karakteristiske vibrationer i krystalnetværket. Vi har vist for molybdendisulfidplader, at virkningerne, der tilskrives disse vibrationer, faktisk skal, i hvert fald delvist, skyldes andre netværksvibrationer, der ikke tidligere er taget i betragtning ", forklarer Katarzyna Gołasa, en doktorand ved UW Fysisk Fakultet.

Tilstedeværelsen af ​​den nye type vibrationer i enkeltarkmaterialer har indflydelse på, hvordan elektroner opfører sig. Som en konsekvens, disse materialer skal have noget andre elektroniske egenskaber end tidligere forventet.

"Graphene var den første. Dens unikke egenskaber har udløst en betydelig, stadig voksende interesse blandt forskere og også fra industrien. Imidlertid, vi må ikke glemme andre enkeltlagsmaterialer. Hvis vi studerer dem godt, de kan vise sig at være bedre end grafen til mange applikationer ", Professor Babiński siger.

Fysik og astronomi optrådte første gang på universitetet i Warszawa i 1816, under det daværende Filosofiske Fakultet. I 1825 blev det astronomiske observatorium oprettet. I øjeblikket, Det Fysiske Fakultets institutter omfatter eksperimentel fysik, Teoretisk fysik, Geofysik, Institut for matematiske metoder og et astronomisk observatorium. Forskning dækker næsten alle områder af moderne fysik, på skalaer fra kvanten til det kosmologiske. Fakultetets forsknings- og undervisningsmedarbejdere omfatter ca. 200 universitetslærere, heraf nær 80 er ansatte med titlen professor. Det Fysiske Fakultet, Universitetet i Warszawa, deltager ca. 1000 studerende og mere end 140 ph.d. -studerende.