En nanomekanisk enhed designet af forskere fra Rice University bruges til at måle styrken af todimensionale nanomaterialer som molybdæn diselenid, genstand for en nylig Rice -undersøgelse, der fandt den langt mere sprød end grafen. Kredit:Lou Group/Rice University
Forskere ved Rice University har opdaget, at et atom-tykt materiale, der kigges efter fleksibel elektronik og næste generations optiske enheder, er mere sprødt, end de havde forventet.
Rice-teamet ledet af materialeforsker Jun Lou testede trækstyrken af todimensionale, halvledende molybdæn diselenid og opdagede, at fejl så små som et manglende atom kan starte katastrofal revnedannelse under belastning.
Holdets rapport vises denne måned i Avancerede materialer .
Fundet kan få industrien til at se mere grundigt på egenskaberne af 2-D-materialer, inden de indarbejdes i nye teknologier, han sagde.
"Det viser sig, at ikke alle 2-D krystaller er ens, "sagde Lou, en risprofessor i materialevidenskab og nanoengineering. "Graphene er meget mere robust sammenlignet med nogle af de andre, vi har at gøre med lige nu, som dette molybdæn diselenid. Vi tror, at det har noget at gøre med defekter, der er forbundet med disse materialer. "
Defekterne kan være så små som et enkelt atom, der efterlader et ledigt sted i den krystallinske struktur, han sagde. "Det er meget svært at opdage dem, "sagde han." Selvom en klynge af ledige stillinger laver et større hul, det er svært at finde ved hjælp af nogen teknik. Det kan være muligt at se dem med et transmissionselektronmikroskop, men det ville være så arbejdskrævende, at det ikke ville være nyttigt. "
Molybdæn diselenid er et dichalcogenid, et todimensionalt halvledende materiale, der fremstår som et grafenlignende sekskantet array ovenfra, men faktisk er en sandwich af metalliske atomer mellem to lag chalcogenatomer, I dette tilfælde, selen. Molybdæn diselenid overvejes til brug som transistorer og i næste generations solceller, fotodetektorer og katalysatorer samt elektroniske og optiske enheder.
Lou og kolleger målte materialets elastiske modul, mængden af strækning et materiale kan håndtere og stadig vende tilbage til sin oprindelige tilstand, ved 177,2 (plus eller minus 9,3) gigapascal. Grafen er mere end fem gange så elastisk. De tilskrev den store variation til allerede eksisterende fejl på mellem 3,6 og 77,5 nanometer.
Dens brudstyrke, mængden af strækning et materiale kan klare før det går i stykker, blev målt til 4,8 (plus eller minus 2,9) gigapascal. Graphene er næsten 25 gange stærkere.
En del af projektet ledet af Rice -postdoktor Yingchao Yang krævede at flytte molybdæn -diselenid fra et vækstkammer i en kemisk dampaflejringsovn til et mikroskop uden at indføre flere defekter. Yang løste problemet ved hjælp af en tør overførselsproces i stedet for en standard syrevask, der ville have ødelagt prøverne.
Set ovenfra, atomer i todimensionalt molybdæn diselenid ligner et sekskantet gitter, som grafen. Men i virkeligheden, de mørkere molybdænatomer er klemt mellem øverste og nederste lag af selenidatomer. Forskere fra Rice University testede materialet for dets trækstyrke. Kredit:Lou Group/Rice University
For at teste prøver, Yang anbragte rektangler af molybdæn -diselenid på en følsom elektronmikroskopplatform opfundet af Lou -gruppen. Naturlige van der Waals styrker holdt prøverne på plads på fjedrende cantilever arme, der målte den påførte stress.
Lou sagde, at gruppen forsøgte at måle materialets brudstyrke, en indikator for, hvor sandsynligt revner vil forplante sig, som de havde i en tidligere undersøgelse af grafen. Men de fandt ud af, at forskæring af revner i molybdæn-diselenid resulterede i, at det sprængtes, før stress kunne påføres, han sagde.
"Det vigtige budskab i dette arbejde er disse materialers sprøde karakter, "Sagde Lou." Mange mennesker overvejer at bruge 2-D krystaller, fordi de i sagens natur er tynde. De tænker på fleksibel elektronik, fordi de er halvledere, og deres teoretiske elastiske styrke bør være meget høj. Ifølge vores beregninger, de kan strækkes op til 10 procent.
"Men i virkeligheden, på grund af de iboende fejl, du kan sjældent opnå så meget styrke. De prøver, vi hidtil har testet, brød højst med 2 til 3 procent (af det teoretiske maksimum), "Sagde Lou." Det burde stadig være fint for de fleste fleksible applikationer, men medmindre de finder en måde at slukke fejlene på, det vil være meget svært at nå de teoretiske grænser. "
En sekvens viser en molybdæn -diselenidprøve monteret på en nanomekanisk måleenhed på Rice University, hvor forskere fastslår, at materialet er langt mere skørt, end de havde forventet. Det atomtykke materiale strækkes gradvist på billederne, med uret øverst til venstre, indtil det splitter helt. Forskerne formoder, at fejl så små som et enkelt atom er udgangspunktet for den sprøde adfærd. Kredit:Lou Group/Rice University
Sidste artikelMetalfrit fluoreret grafen viser ingen tegn på toksicitet i cellekulturtest
Næste artikelOp- og nedture i regenerativ medicin