Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

2D-materialeforskere sigter ud over grafen

Hvert af disse trekantede stykker materiale er et monolag af wolframdisulfid. Under nogle forhold, som det ses her, disse monolag udsender rødt lys. Kredit:Terrones -gruppen, Penn State

Joshua Robinson husker den dag i 2006, hvor han hørte om et materiale, dvs. til alle praktiske formål, todimensionelle.

På det tidspunkt, han var postdoktor ved Naval Research Laboratory i Washington, D.C. Hans rådgiver, Erik Snow, var begejstret for grafen, en nyligt isoleret form for kulstof. En fætter til den almindeligt kendte buckminsterfulleren (eller "buckyballs") og carbon nanorør, grafen var et fladt ark, der kun var et carbonatom tykt. Atomerne var knyttet sammen i en sekssidet, kyllingetrådsmønster, danner et gitter med forbløffende egenskaber. Det var fleksibelt, gennemsigtig, og stærkere end stål. Det ledte elektricitet bedre end kobber og varme bedre end noget andet. Kort sagt, kulstof i denne form opførte sig ikke længere som kulstof. Det virkede som et helt nyt materiale.

Graphene blev kendt som den første todimensionale, eller monolag, materiale. Ja, en tredjedel af en milliardtedel af en meter tyk, den er så tæt på todimensionel, som et håndgribeligt objekt kan komme. Grafen er 300, 000 gange tyndere end almindeligt printerpapir. Hvis papiret var så tykt som en seks-etagers bygning er høj, grafen ville være tykkelsen af ​​det originale papir.

Robinson var i en ideel position til at erkende vigtigheden af ​​todimensionelle (2D) materialer. Han arbejdede med carbon nanorør, tilpasse dem til at opdage små mængder luftbårne stoffer, såsom dem, der afgives af kemiske våben og eksplosive anordninger.

"Graphene var simpelthen et nanorør, der var udpakket, " siger Robinson, som nu er adjunkt og Corning Faculty Fellow i Institut for Materialevidenskab og Teknik, Penn State. "Eric var så forbandet begejstret, at jeg ikke kunne lade være med at begynde at læse om grafen, og blev øjeblikkeligt hooked - dette 'nye materiale' virkede for godt til at være sandt."

Anstødssten

Videnskabsmænd, ingeniører, og investorer over hele verden blev begejstrede for grafen, især dets potentiale til at revolutionere elektronik. Udtrykket "post-silicium" blev opfundet for at beskrive denne nye grænse, og i 2010 vandt opdagelsen og den første karakterisering af grafen Nobelprisen i fysik.

Men overgangen fra opdagelse til praktisk anvendelse har vist sig ikke at være så let. Selvom materialeforskere kunne skabe en række nye 2D-materialer ved hjælp af andre elementer og forbindelser, de kunne ikke altid forudsige, hvilke egenskaber disse materialer ville have. De små eller endda mikroskopiske stykker monolag var svære at manipulere og analysere - på trods af deres styrke, de blev let revet i stykker - og umulige at lave i industriel målestok.

Hvad feltet havde brug for var en dybere forståelse af 2D -materialer og deres underlige egenskaber. For at tage denne udfordring op, i 2013 startede Penn State's Materials Research Institute Center for todimensionale og lagdelte materialer (2DLM). Centret samler omkring 50 fakulteter, postdoktorale forskere, og studerende fra Penn State og andre institutioner rundt om i landet. Det er det første forskningscenter, der ikke kun fokuserer på grafen, men "ud over grafen, " ifølge Robinson, centrets assisterende direktør. "Det har virkelig hjulpet med at tiltrække nogle af de bedste nye fakulteter i landet, samt mange højtydende studerende."

Byggesten

Arbejdet på centret omhandler flere brede temaer, såsom at finde nye måder at lave 2D -materialer på og kombinere monolag lavet af forskellige forbindelser, udvikling af teknikker til at analysere nye materialer og deres egenskaber, at forstå, hvordan arkitekturen af ​​et lagdelt materiale påvirker dets egenskaber, og teknologioverførsel - søger patenter og forfølger kommercielt levedygtige produkter.

Materialeforsker Joshua Robinson kigger ind i en kemisk dampaflejringsovn, som bruges til at lave todimensionelle materialer. Kredit:Patrick Mansell, Penn State

Forskere her har lavet nye monolag materialer ved at kombinere en række forskellige elementer, såsom wolfram eller molybdæn med svovl, gallium eller silicium med selen, og bor med nitrogen.

Forbedrede teknikker til at studere 2D -materialer har gjort det lettere at forudsige, hvilke forbindelser der vil danne monolag, og hvordan de kan opføre sig i den form. Ligesom grafen, disse materialer udviser egenskaber, der ikke ses i deres tredimensionelle former. Flere af dem - såsom molybdændisulfid, wolfram disulfid, og en form for bornitrid - er halvledere, der giver løftet om ultra-lille elektronik. Nogle er fotoluminescerende, absorberer lys af en bølgelængde og sender energien tilbage ved en anden bølgelængde. De kan blive grundlaget for en ny generation af enheder, der registrerer eller udsender lys.

Nogle monolag-baserede produkter arbejder nu mod kommercielle applikationer.

"Jeg har set og rørt ved og brugt fladskærme, der bruger grafen som ledende, gennemsigtig elektrode, " siger Mauricio Terrones, professor i fysik, kemi, og materialevidenskab og teknik, og direktør for 2DLM. "Dette kunne være det første produkt på markedet. Fordelen ved grafen er at lave fleksible fladskærme, noget, det ikke er muligt at gøre med den nuværende teknologi."

Store projekter med det formål at gøre sådanne futuristiske teknologier til realiteter er i gang i Penn State. National Science Foundation (NSF) tilbød for nylig støtte til tre af centrets projekter med mere end $ 4 millioner i forskningstilskud. Robinsons gruppe er ved at udvikle en ny type post-silicium transistor, åbner vejen for stadigt mindre elektronik. Joan Redwing, professor i materialevidenskab og teknik, og hendes team arbejder på måder at skabe todimensionale materialer ved lave temperaturer, at gøre produktionen mere gennemførlig for industrien og at lade materialerne dannes på glas og plast. Zhiwen Liu, professor i elektroteknik, og Ana Laura Elias Arriaga, forskningsassistent i fysik, arbejder sammen med kolleger på Rensselaer Polytechnic Institute for at udvikle lagdelte materialer til brug i lysbaserede teknologier.

Stabling af monolag

Terrones og Robinson mener, at nøglen til succes på deres område vil være at kombinere forskellige typer monolag. Robinsons gruppe har arbejdet sammen med andre Penn State fakulteter og forskere ved University of Texas i Dallas for at få forskellige todimensionelle materialer til at danne sig direkte oven på hinanden.

"Ved at gøre dette, vi har været i stand til at opnå virkelig rene grænseflader mellem lagene, "Robinson siger." Dette er en nøgle til nye nanoelektroniske kredsløb. "

Som med lagdelte materialer lavet af en enkelt forbindelse, disse "hybrid" materialer viser ofte uventet - og potentielt nyttig - adfærd. To sådanne materialer blev fremstillet i laboratoriet hos Pulickel Ajayan, et 2DLM -medlem ved Rice University, og derefter sendt til Terrones til analyse.

Inde i dampaflejringsovnen, et kvartsrør giver et kontrolleret miljø til dannelse af 2D-materialer fra fordampede organo-metalliske forbindelser. Kredit:Patrick Mansell, Penn State

I et forsøg på at fremstille materialerne ved lavere temperaturer end nogensinde før, et fremskridt, der ville lette masseproduktionen, Ajayans team havde utilsigtet fået to velkendte materialer til at slå sig ned i nye forhold til hinanden.

Ved en temperatur, wolframdisulfid dannede et lag oven på et lag molybdendisulfid. I denne konfiguration, de kombinerede materialer fungerer som en transistor. Ved en anden temperatur, de to materialer dannede lag side om side i det samme plan.

"Det er som at have to forskellige stoffer sat sammen, men ved sammenføjningen er de to stoffer som ét, " siger Terrones. I kant-til-kant-konfigurationen, krydset mellem de to stoffer er et mødested, hvor elektroner og fotoner sender energi frem og tilbage.

"Vi finder nu ud af, at disse materialer kan have vigtige anvendelser som meget hurtige og følsomme fotosensorer eller endda lysemitterende enheder, "Siger Terrones.

Det vilde vesten

Kredit:Penn State

Med lignende opdagelser, der sker på næsten en ugentlig basis, forudsigelser om fantastiske nye produkter på vej er vendt tilbage. Denne gang, spændingen har et solidt grundlag for grundlæggende videnskab - og denne gang, videnskabsmændene og ingeniørerne ser ud over det oprindelige mål om at gøre grafen til en ny type halvledermateriale.

"Det er sandsynligt, at grafen og andre 2D -materialer vil være vigtige komponenter i bærbare elektroniske enheder, " siger Terrones. "Jeg forudser også, at vi vil se disse materialer i 'smarte' belægninger, der ændrer egenskaber ved en ekstern stimulus." 2D-belægninger kunne bekæmpe rust og bakterier. De kunne tjene som følsomme detektorer af luftkvalitet. De kunne endda modvirke havbarn fra begronende bådskrog. Mulighederne virker ubegrænsede.

Robinson er enig.

En siliciumskive, vist her indsat i et rør, der fører til dampaflejringsovnen, vil fungere som et substrat, hvorpå nye 2D-materialer kan vokse. Kredit:Patrick Mansell, Penn State

"Todimensionelle materialer er meget mere end en erstatning for silicium, " siger han. "Det vigtigste ved '2D' er, at det er ligesom det vilde vesten lige nu. Der er næsten et ufatteligt antal potentielle applikationer derude. Men først skal vi forstå deres grundlæggende egenskaber for bedst at kunne identificere, hvilke applikationer der vil drage fordel af disse nye materialer. "


Varme artikler