Ny proces isolerer lovende materiale molybdændisulfid

Efter at grafen først blev produceret i laboratoriet i 2004, tusindvis af laboratorier begyndte at udvikle grafenprodukter verden over. Forskere var overrasket over dens lette og ultrastærke egenskaber. Ti år senere, videnskabsmænd søger nu efter andre materialer, der har samme potentialeniveau.

"Vi fortsætter med at arbejde med grafen, og der er nogle applikationer, hvor det fungerer meget godt, " sagde Mark Hersam, Bette og Neison Harris-lærestolen i Teaching Excellence ved Northwestern University's McCormick School of Engineering and Applied Science, der er grafenekspert. "Men det er ikke svaret på alle verdens problemer."

En del af en familie af materialer kaldet overgangsmetal dichalcogenider, molybdændisulfid (MoS2) er dukket op som et frontløbermateriale til efterforskning i Hersams laboratorium. Ligesom grafen, det kan eksfolieres til atomisk tynde plader. Da det tynder ud til atomgrænsen, det bliver fluorescerende, gør det nyttigt til optoelektronik, såsom lysemitterende dioder, eller lysabsorberende enheder, såsom solceller. MoS2 er også en ægte halvleder, gør det til en fremragende kandidat til elektronik, og det er historisk blevet brugt i katalyse til at fjerne svovl fra råolie, som forhindrer sur regn.

Hersams udfordring var at finde en måde at isolere atomisk tynde plader af dette lovende materiale i større skala. I de sidste seks år, hans laboratorium har udviklet metoder til at eksfoliere tynde lag af grafen fra grafit, ved hjælp af løsningsbaserede metoder.

"Man skulle tro, det ville være nemt at gøre det samme for molybdændisulfid, " sagde han. "Men problemet er, at mens eksfolieringen ligner grafen, adskillelsen er betydeligt mere udfordrende."

Hersams forskning er beskrevet i papiret "Tykkelsessortering af todimensionelle overgangsmetal-dichalcogenider via copolymer-assisteret gradient-ultracentrifugering, " som blev offentliggjort i 13. november-udgaven af Naturkommunikation .

For at sortere grafenlag, Hersam brugte centrifugalkraft til at adskille materialer efter densitet. At gøre dette, han og hans gruppe tilføjede materialet til et centrifugerør sammen med en gradient af vandbaseret opløsning. Ved centrifugering, de tættere arter bevæger sig mod bunden, skabe lag af tætheder inde i centrifugerøret. Grafen sorteres i enkeltlagsark mod toppen, derefter tolags ark, trelag, og så videre. Fordi grafen har en relativt lav densitet, den sorterer let sammenlignet med materialer med højere densitet.

"Hvis jeg bruger nøjagtig samme proces med molybdændisulfid, dens højere tæthed vil få den til at styrte ud, " sagde Hersam. "Det overstiger den maksimale tæthed af gradienten, som krævede en innovativ løsning."

Hersam havde brug for at tage det iboende tætte materiale og effektivt reducere dets tæthed uden at ændre selve materialet. Han indså, at dette mål kunne opnås ved at justere tætheden af ​​de molekyler, der blev brugt til at sprede MoS2. I særdeleshed, anvendelsen af ​​større polymerdispergeringsmidler tillod den effektive densitet af MoS2 at blive reduceret til tæthedsgradientområdet. På denne måde, pladerne af MoS2 flød i lagdelte positioner i stedet for at samle sig som bunden af ​​centrifugerøret. Denne teknik virker ikke kun for MoS2, men for andre materialer i overgangsmetal-dichalcogenides-familien.

"Nu kan vi isolere enkelt lag, dobbeltlag, eller trelags overgangsmetal dichalcogenider på en skalerbar måde, " sagde Hersam. "Denne proces vil give os mulighed for at udforske deres nytte i store applikationer, såsom elektronik, optoelektronik, katalyse, og solceller."