Ny nanosheetvækstteknik har potentiale til at revolutionere nanoteknologiindustrien

Efter seks års omhyggelig indsats, en gruppe materialeforskere fra University of Wisconsin-Madison mener, at deres gennembrud i at dyrke bittesmå plader af zinkoxid kan have enorme konsekvenser for fremtiden for nanomaterialefremstilling - og til gengæld, på et væld af elektroniske og biomedicinske enheder.

Gruppen, ledet af Xudong Wang, en lektor i materialevidenskab og teknik ved UW-Madison, og postdoc-forsker Fei Wang, har udviklet en ny teknik til at syntetisere todimensionelle nanoark fra forbindelser, der ikke naturligt danner de atomlagstykke materialer. Det er første gang en sådan teknik har været vellykket, og forskerne beskrev deres resultater 20, Januar, 2016, i journalen Naturkommunikation .

I bund og grund den mikroskopiske ækvivalent af et enkelt ark papir, et 2D nanoark er et materiale, der er begrænset til op til kun få atomlag i én retning. Nanomaterialer - materialer, der er begrænset i mindst én dimension til maksimalt en håndfuld atomlag - har unikke fysiske egenskaber, der ændrer deres elektroniske og kemiske egenskaber i forhold til deres sammensætning identiske, men konventionelle, og større, materielle modparter. "Det, der er rart med et 2D nanomateriale, er, at fordi det er et ark, det er meget nemmere for os at manipulere sammenlignet med andre typer nanomaterialer, " siger Xudong Wang.

Indtil nu, materialeforskere var begrænset til at arbejde med naturligt forekommende 2D nanoark. Disse naturlige 2D-strukturer inkluderer grafen, et enkelt lag grafit, og et begrænset antal andre forbindelser. At udvikle en pålidelig metode til at syntetisere og fremstille 2D nanoark fra andre materialer har været et mål for materialeforskere og nanoteknologiindustrien i årevis.

I deres teknik, UW-Madison-teamet påførte et specielt formuleret overfladeaktivt stof - et vaskemiddellignende stof - på overfladen af ​​en væske indeholdende zinkioner. På grund af dets kemiske egenskaber, det overfladeaktive stof samler sig selv i et enkelt lag ved væskeoverfladen, med negativt ladede sulfationer pegede i væskens retning. Disse sulfationer trækker de positivt ladede zinkioner inde fra væsken til overfladen, og inden for et par timer trækkes nok zinkioner op til at danne kontinuerlige zinkoxidnanoark, der kun er få atomlag tykke.

Xudong Wang fik først idéen til at bruge et overfladeaktivt stof til at dyrke nanoark under et foredrag, han holdt på et kursus om nanoteknologi i 2009.

"Kurset indeholder et foredrag om selvsamling af monolag, " siger Xudong Wang. "Under de korrekte forhold, et overfladeaktivt middel samler sig selv for at danne et monolag. Dette er en velkendt proces, som jeg underviser i i klassen. Så mens jeg underviste i dette, undrede jeg mig over, hvorfor vi ikke ville være i stand til at vende denne metode og bruge det overfladeaktive monolag først til at dyrke det krystallinske ansigt."

Efter fem års trial and error med forskellige overfladeaktive opløsninger, ideen gav endelig pote for omkring et år siden.

"Vi er meget begejstrede for dette, " siger Xudong Wang. "Dette er bestemt en ny måde at fremstille 2D nanoark på, og det har et stort potentiale for forskellige materialer og til mange forskellige anvendelser."

Forskerne har allerede fundet ud af, at de 2D-zinkoxidnanoplader, de har dyrket, er i stand til at fungere som halvledertransistorer af p-type, hvilket er den modsatte elektroniske adfærd af naturligt forekommende zinkoxid. Forskere har i nogen tid forsøgt at fremstille zinkoxid med pålidelige p-type halvlederegenskaber.

Zinkoxid er en meget nyttig komponent i elektroniske materialer, og de nye nanoark har potentiale til brug i sensorer, transducere og optoelektronik.

Men zinkoxid-nanopladerne er kun de første af, hvad der kunne være en revolution inden for 2D-nanomaterialer. Allerede, UW-Madison-teamet anvender sin overfladeaktive metode til at dyrke 2D nanoplader af guld og palladium, og teknikken lover at dyrke nanoplader af alle slags metaller, der ikke ville danne dem naturligt.

"Det bringer en masse nyt funktionelt materiale til denne 2D-materialekategori, " siger Xudong Wang.