Forskere finder en måde at erhverve grafenlignende film fra salte for at øge nanoelektronik

Et internationalt forskersamarbejde har brugt computersimuleringer til at finde den mindste tyndhed af en saltskive, for at den kan bryde op i grafenlignende lag. Baseret på computersimuleringen, de udledte ligningen for antallet af lag i en krystal, der vil producere ultratynde film med applikationer inden for nanoelektronik. Deres fund var i Journal of Physical Chemistry Letters .

Fra 3D til 2D

Unik monoatomisk tykkelse af grafen gør det til et attraktivt og nyttigt materiale. Dens krystalgitter ligner en honningkage, da bindingerne mellem de konstituerende atomer danner regelmæssige sekskanter. Grafen er et enkelt lag af en tredimensionel grafitkrystal, og dens egenskaber (samt egenskaber ved enhver 2D-krystal) er radikalt forskellige fra dens 3D-modstykke. Siden opdagelsen af ​​grafen, en stor mængde forskning er blevet rettet mod nye todimensionale materialer med spændende egenskaber. Ultratynde film har usædvanlige egenskaber, der kan være nyttige til applikationer som nano- og mikroelektronik.

Tidligere teoretiske undersøgelser har antydet, at film med en kubisk struktur og ionisk binding spontant kunne konvertere til en lagdelt hexagonal grafitstruktur i det, der kaldes grafitisering. For nogle stoffer, denne konvertering er blevet observeret eksperimentelt. Det blev forudsagt, at rocksalt NaCl kunne være en forbindelse med grafitiseringstendenser. Grafitisering af kubiske forbindelser kunne producere nye og lovende strukturer til applikationer inden for nanoelektronik. Imidlertid, ingen teori har redegjort for denne proces med en vilkårlig kubisk forbindelse eller gjort forudsigelser om dens omdannelse til grafenlignende saltlag.

For at grafitisering kan forekomme, krystallagene skal reduceres langs hoveddiagonalen i den kubiske struktur. Dette ville resultere i, at den ene krystaloverflade er fremstillet af natriumioner og den anden af ​​chloridioner. Det er vigtigt at bemærke, at positive og negative ioner - og ikke neutrale atomer - indtager strukturens gitterpunkter. Dette genererer ladninger af modsatte tegn på de to overflader. Så længe overfladerne er fjernt fra hinanden, alle afgifter annulleres, og saltpladen viser en præference for en kubisk struktur. Imidlertid, en tilstrækkelig tynd film giver anledning til et stort dipolmoment på grund af de modsatte ladninger af de to krystaloverflader. Strukturen søger at slippe af med dipolmomentet, hvilket øger systemets energi. For at gøre overfladerne ladningsneutrale, krystallen undergår en omlægning af atomer.

Eksperiment vs model

For at undersøge, hvordan grafitiseringstendenser varierer afhængigt af forbindelsen, forskerne undersøgte 16 binære forbindelser med den generelle formel AB, hvor A står for et af de fire alkalimetaller lithium Li, natrium Na, kalium K, og rubidium Rb. Disse er meget reaktive elementer, der findes i gruppe 1 i det periodiske system. B i formlen står for en hvilken som helst af de fire halogener fluor F, chlor Cl, brom Br, og jod I. Disse elementer er i gruppe 17 i det periodiske system og reagerer let med alkalimetaller.

Alle forbindelser i denne undersøgelse findes i en række strukturer, også kendt som krystalgitter eller faser. Hvis atmosfæretrykket øges til 300, 000 gange sin normale værdi, en anden fase (B2) af NaCl (repræsenteret ved den gule del af diagrammet) bliver mere stabil, bevirker en ændring i krystalgitteret. For at teste deres valg af metoder og parametre, forskerne simulerede to krystalgitter og beregnede det tryk, der svarer til faseovergangen mellem dem. Deres forudsigelser stemmer overens med eksperimentelle data.

Hvor tynd skal den være?

Forbindelserne inden for omfanget af denne undersøgelse kan alle have en sekskantet, "grafisk" G-fase (den røde i diagrammet), der er ustabil i 3D-bulk, men bliver den mest stabile struktur for ultratynde (2-D eller quasi-2-D) film. Forskerne identificerede forholdet mellem filmens overfladeenergi og antallet af lag i den for både kubiske og sekskantede strukturer. De skitserede dette forhold ved at tegne to linjer med forskellige skråninger for hver af de undersøgte forbindelser. Hvert par linjer forbundet med en forbindelse har et fælles punkt, der svarer til den kritiske pladetykkelse, der gør konvertering fra en kubisk til en sekskantet struktur energisk gunstig. For eksempel, det kritiske antal lag viste sig at være tæt på 11 for alle natriumsalte og mellem 19 og 27 for lithiumsalte.

Baseret på disse data, forskerne etablerede en sammenhæng mellem det kritiske antal lag og to parametre, der bestemmer styrken af ​​de ioniske bindinger i forskellige forbindelser. Den første parameter angiver størrelsen på en ion af et givet metal - dens ioniske radius. Den anden parameter kaldes elektronegativitet og er et mål for atomets evne til at tiltrække elektronerne i element B. Højere elektronegativitet betyder en kraftigere tiltrækning af elektroner ved atomet, en mere udtalt ionisk karakter af bindingen, en større overfladedipol, og en lavere kritisk pladetykkelse.

Pavel Sorokin, leder af Laboratory of New Materials Simulation på TISNCM siger, "Dette arbejde har allerede tiltrukket vores kolleger fra Israel og Japan. Hvis de eksperimentelt bekræfter vores fund, dette fænomen [af grafitisering] vil give en levedygtig vej til syntesen af ​​ultratynde film med potentielle anvendelser inden for nanoelektronik. "

Forskerne agter at udvide omfanget af deres undersøgelser ved at undersøge andre forbindelser. De mener, at ultratynde film med forskellig sammensætning også kan undergå spontan grafitisering, giver nye lagdelte strukturer med egenskaber, der er endnu mere spændende.