Udnyttelse af egenskaberne af et bemærkelsesværdigt 2-D materiale

Karakterisering af de termiske egenskaber af krystallinsk molybdændisulfid, et vigtigt todimensionelt (2-D) materiale, har vist sig udfordrende. Nu har forskere fra A*STAR udviklet en simpel teknik, der kan bane vejen for dens anvendelse i en lang række nye applikationer inden for energilagring, optoelektroniske og fleksible elektroniske enheder.

Hexagonalt molybdændisulfid (MoS2), en af ​​dichalcogeniderne - en familie af halvledende overgangsmetaller - har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed som et todimensionelt (2-D) materiale takket være dets bemærkelsesværdige elektroniske og optoelektroniske egenskaber. Det er også kendt for sin imponerende styrke og fleksibilitet, som opstår fra det sekskantede gitter af molybdænatomer klemt mellem lag af svovlatomer.

At bestemme de termiske egenskaber af MoS2 er nøglen til at låse op for dets forbløffende egenskaber, men dens komplekse geometri og de mange nødvendige beregninger for fononer – de forskellige vibrationstilstande af atomer i et krystalgitter – er en kostbar og tidskrævende beregningsproces.

Chee Kwan Gan og Yu Yang Fredrik Liu fra A*STAR Institute of High Performance Computing har nu udviklet en numerisk teknik, der dramatisk reducerer antallet af beregninger, gør det muligt at beregne den termiske udvidelseskoefficient - som bestemmer, hvordan deres form og størrelse ændrer sig som reaktion på temperaturændringer - af MoS2-krystaller nøjagtigt og effektivt, og kan også anvendes på andre vigtige 2-D materialer.

"Tænk på en fonon som en partikel bundet til en fjeder, hvor den vibrerer med et fast mønster ved en fast frekvens, " forklarer Gan. "Der er mange fonontilstande i en krystal som molybdændisulfid, og udfordringen er at beregne dem alle."

Ved at deformere en krystal af MoS2, forskerne bestemte ændringen i frekvens for hver fonon i gitterstrukturen, og ved at anvende en numerisk metode, baseret på forstyrrelsesteori, til disse ændrede frekvenser; de var i stand til at estimere krystallens termiske egenskaber, kendt som Grüneisen-parametrene. Disse parametre blev derefter brugt til at beregne de termiske udvidelseskoefficienter for hexagonal MoS2.

"Vores metode bruger den fulde symmetri af den hexagonale struktur til at reducere mængden af ​​beregninger til kun fire sæt fononberegninger sammenlignet med kvasi-harmonisk tilnærmelse - den traditionelle tilgang - der kræver mange flere, " siger Gan.

Værket præsenterer, for første gang, en nøjagtig og enkel metode til at bestemme de termiske egenskaber af MoS2, og giver en dybere forståelse af termisk ledning i 2-D materialer.

"Vores langsigtede mål er at udvide tilgangen til andre teknologisk vigtige halvledere, todimensionelle materialer, såsom vismut selenid, " siger Gan.