Styring af stofs egenskaber i todimensionelle krystaller

Ved at skabe atomkæder i en todimensionel krystal, forskere ved Penn State mener, at de har fundet en måde at kontrollere retningen af ​​materialeegenskaber i to- og tredimensionelle krystaller med implikationer i sansning, optoelektronik og næste generations elektronikapplikationer.

Om en legering har et tilfældigt arrangement af atomer eller et arrangement, der er ordnet, kan have store effekter på et materiales egenskaber. I et papir offentliggjort online i Nano bogstaver , Nasim Alem, assisterende professor i materialevidenskab og teknik, og kolleger i Penn State brugte en kombination af simuleringer og scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) billeddannelse til at bestemme atomstrukturen af ​​en ordnet legering af molybdæn, wolfram og svovl. De fastslog, at udsving i mængden af ​​tilgængeligt svovl var ansvarlige for skabelsen af ​​atomkæder af enten molybdæn eller wolfram.

"Vi opdagede, hvordan kæder dannes i en todimensionel legering som et resultat af fluktuationer i mængden af ​​en bestemt forløber, i dette tilfælde svovl, sagde Alem. Normalt, når vi kombinerer atomer af forskellige grundstoffer, vi ved ikke, hvordan vi skal kontrollere, hvor atomerne vil hen. Men vi har fundet en mekanisme til at give orden til atomerne, hvilket igen introducerer kontrol med ejendommene, ikke kun varmetransport, som det er tilfældet i dette værk, men også elektronisk, kemiske eller magnetiske egenskaber i andre legeringskasser. Hvis du kender mekanismen, du kan anvende det til at arrangere atomerne i en lang række legeringer i 2D-krystaller på tværs af det periodiske system."

I tilfælde af molybdæn, wolfram og svovllegering, forskerne viste, at de elektroniske egenskaber var de samme i alle retninger, men ved hjælp af simuleringer, de forudsiger, at de termiske transportegenskaber er mindre vinkelret på kæderne eller striberne.

"Vi vidste ikke, hvorfor denne krystal danner en ordnet struktur, så vi arbejdede sammen med min kollega Dr. Vin Crespi for at forstå den underliggende fysik, der forårsager orden i denne krystal, " sagde Alem. "Vores beregninger viser, at det var udsvingene i det tredje element, svovl, det var bestemmende for, hvordan kæderne dannedes."

Vincent H. Crespi, fremtrædende professor i fysik, og professor i kemi og materialevidenskab og teknik, som udviklede den teoretiske forståelse af fænomenet, sagde, "Selvom det indre af flagen er ligeglad med, om molybdæn eller wolfram optager et sted i krystalgitteret, kanten af ​​den voksende krystal er ligeglad:Afhængigt af hvor meget svovl der er tilgængeligt på et givet sted, kanten vil foretrække at være enten 100 procent molybdæn eller 100 procent wolfram. Så da tilgængeligheden af ​​svovl varierer tilfældigt under vækst, systemet lægger skiftevis rækker af molybdæn eller wolfram. Vi tror, ​​at dette kan være en generel mekanisme til at skabe stribelignende strukturer i 2D-materialer."

Amin Aziz, en ph.d. kandidat i Alems gruppe og hovedforfatter, produceret STEM-billeddannelse og spektroskopi, der viste den fine atomare struktur af legeringsprøverne og deres elektroniske egenskaber.

"Når vi er i stand til direkte at afbilde konstitutive atomer af et stof, se, hvordan de interagerer med hinanden på atomniveau, og prøv at forstå oprindelsen af ​​sådan adfærd, vi kunne potentielt skabe nye materialer med usædvanlige egenskaber, som aldrig har eksisteret, " sagde Azizi.

Et hold ledet af Mauricio Terrones, professor i fysik, producerede prøver af denne bestilte legering ved at fordampe pulvere af alle tre elementer, kaldet forløbere, under høj varme.