Fysikeren opdager nyt 2D -materiale, der kan fremme materialevidenskaben

Et nyt atom-tykt fladt materiale, der kunne opgradere vidundermaterialet grafen og fremme digital teknologi, er blevet opdaget af en fysiker ved University of Kentucky, der arbejder i samarbejde med forskere fra Daimler i Tyskland og Institute for Electronic Structure and Laser (IESL) i Grækenland.

Rapporteret i Fysisk gennemgang B, det nye materiale består af silicium, bor og nitrogen - alt lys, billige og jordfyldte elementer - og er ekstremt stabil, en ejendom mange andre grafenalternativer mangler.

"Vi brugte simuleringer til at se, om bindingerne ville bryde eller gå i opløsning - det skete ikke, "Sagde Madhu Menon, en fysiker i UK Centre for Computational Sciences. "Vi opvarmede materialet til 1, 000 grader Celsius, og det gik stadig ikke i stykker. "

Ved hjælp af state-of-the-art teoretiske beregninger, Menon og hans samarbejdspartnere Ernst Richter fra Daimler og en tidligere britisk afdeling for fysik og astronomi, postdoktoral forskningsassistent, og Antonis Andriotis fra IESL, har vist, at ved at kombinere de tre elementer, det er muligt at få et atom-tykt, virkelig 2D-materiale med egenskaber, der kan finjusteres, så de passer til forskellige applikationer ud over, hvad der er muligt med grafen.

Mens grafen fremhæves som værende verdens stærkeste materiale med mange unikke egenskaber, det har en ulempe:det er ikke en halvleder og skuffer derfor i den digitale teknologiindustri. Efterfølgende søgning efter nye 2D halvledende materialer førte forskere til en ny klasse af trelags materialer kaldet overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC'er). TMDC'er er for det meste halvledere og kan gøres til digitale processorer med større effektivitet end noget muligt med silicium. Imidlertid, disse er meget større end grafen og fremstillet af materialer, der ikke nødvendigvis er rigelige og billige på jorden.

På udkig efter en bedre mulighed, der er let, jord rigelig, billig og en halvleder, holdet ledet af Menon studerede forskellige kombinationer af elementer fra første og anden række i det periodiske system.

Selvom der er mange måder at kombinere silicium på, bor og nitrogen for at danne plane strukturer, kun ét specifikt arrangement af disse elementer resulterede i en stabil struktur. Atomer i den nye struktur er arrangeret i et sekskantet mønster som i grafen, men det er her ligheden ender.

De tre elementer, der danner det nye materiale, har alle forskellige størrelser; bindingerne, der forbinder atomerne, er også forskellige. Som resultat, siderne af sekskanterne dannet af disse atomer er ulige, i modsætning til i grafen. Det nye materiale er metallisk, men kan let laves halvledende ved at fastgøre andre elementer oven på siliciumatomerne.

Tilstedeværelsen af ​​silicium giver også den spændende mulighed for problemfri integration med den nuværende siliciumbaserede teknologi, tillader industrien langsomt at bevæge sig væk fra silicium i stedet for at fjerne det helt, alt på en gang.

"Vi ved, at siliciumbaseret teknologi når sin grænse, fordi vi sætter flere og flere komponenter sammen og gør elektroniske processorer mere og mere kompakte, "Menon sagde." Men vi ved, at dette ikke kan fortsætte i det uendelige; vi har brug for smartere materialer. "

Desuden, ud over at skabe et elektronisk båndgab, vedhæftning af andre elementer kan også bruges til selektivt at ændre båndgabværdierne - en vigtig fordel i forhold til grafen til konvertering af solenergi og elektronikapplikationer.

Andre grafenlignende materialer er blevet foreslået, men mangler styrkerne ved materialet opdaget af Menon og hans team. Silicien, for eksempel, ikke har en flad overflade og til sidst danner en 3D -overflade. Andre materialer er meget ustabile, nogle højst et par timer.

Hovedparten af ​​de nødvendige teoretiske beregninger blev udført på computerne i UK Centre for Computational Sciences med samarbejdspartnere Richter og Andriotis, der direkte fik adgang til dem via hurtige netværk. Nu arbejder teamet i tæt samarbejde med et team ledet af Mahendra Sunkara fra Conn Center for Renewable Energy Research ved University of Louisville for at skabe materialet i laboratoriet. Conn Center -teamet har haft et tæt samarbejde med Menon om en række nye materialesystemer, hvor de var i stand til at teste hans teori med eksperimenter til en række flere nye solmaterialer.

"Vi er meget ivrige efter, at dette skal laves i laboratoriet, "Menon sagde." Den ultimative test af enhver teori er eksperimentel verifikation, så jo før jo bedre! "

Nogle af ejendommene, såsom evnen til at danne forskellige typer nanorør, diskuteres i avisen, men Menon forventer, at der kommer mere med yderligere undersøgelse.

"Denne opdagelse åbner et nyt kapitel i materialevidenskab ved at tilbyde nye muligheder for forskere at udforske funktionel fleksibilitet og nye egenskaber til nye applikationer, "sagde han." Vi kan forvente nogle overraskelser. "