Forskere viser, at voksende atomtynde plader på kegler tillader kontrol af defekter

Rice University forskere har lært at manipulere to-dimensionelle materialer til at designe i defekter, der forbedrer materialernes egenskaber.

Den teoretiske fysiker Boris Yakobsons rislaboratorium og kolleger ved Oak Ridge National Laboratory kombinerer teori og eksperimenter for at bevise, at det er muligt at give 2D-materialer specifikke defekter, især atomskala sømme kaldet korngrænser. Disse grænser kan bruges til at forbedre materialernes elektroniske, magnetiske, mekanisk, katalytiske og optiske egenskaber.

Nøglen er at introducere krumning til landskabet, der begrænser måden, hvorpå defekter forplanter sig. Forskerne kalder dette "tilt korngrænsetopologi, " og de opnår det ved at dyrke deres materialer på et topografisk buet substrat - i dette tilfælde, en kegle. Vinklen på keglen dikterer, hvis, hvilken slags og hvor grænserne optræder.

Forskningen er genstand for en artikel i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano .

Korngrænser er de grænser, der optræder i et materiale, hvor kanter mødes i en uoverensstemmelse. Disse grænser er en række defekter; for eksempel, når to ark sekskantet grafen mødes i en vinkel, carbonatomerne kompenserer for det ved at danne ikke-hexagonale (fem- eller syvleddede) ringe.

Yakobson og hans team har allerede vist, at disse grænser kan være elektronisk vigtige. De kan, for eksempel, gøre perfekt ledende grafen til en halvleder. I nogle tilfælde, selve grænsen kan være en ledende subnanoskala ledning eller have magnetiske egenskaber.

Men indtil nu havde forskerne kun lidt kontrol over, hvor disse grænser ville se ud, når man dyrkede grafen, molybdændisulfid eller andre 2-D materialer ved kemisk dampaflejring.

Teorien udviklet på Rice viste, at dyrkning af 2D-materiale på en kegle ville tvinge grænserne til at dukke op på bestemte steder. Bredden af ​​keglen styrede placeringen og, vigtigere, hældningsvinklen, en afgørende parameter i tuning af materialernes elektroniske og magnetiske egenskaber, sagde Yakobson.

Eksperimentelle samarbejdspartnere fra Oak Ridge ledet af medforfatter David Geohegan leverede beviser, der understøttede nøgleaspekter af teorien. De opnåede dette ved at dyrke wolframdisulfid på små kegler svarende til dem i Rices computermodeller. Grænserne, der dukkede op i de virkelige materialer, matchede dem, som teorien forudsagde.

"Den ikke-plane form af substratet tvinger 2-D-krystallen til at vokse i et buet 'ikke-euklidisk' rum, " sagde Yakobson. "Dette belaster krystallen, som af og til giver efter ved at give vej til sømmene, eller korngrænser. Det er ikke anderledes end den måde, en skrædder ville tilføje en søm til et jakkesæt eller en kjole for at passe til en kurvet kunde."

Modellering af kegler af forskellig bredde afslørede også en "magisk kegle" på 38,9 grader, hvorpå dyrkning af et 2-D-materiale ikke ville efterlade nogen korngrænse overhovedet.

Rice-holdet udvidede sin teori for at se, hvad der ville ske, hvis koglerne sad på et fly. De forudsagde, hvordan korngrænser ville dannes over hele overfladen, og igen, Oak Ridge-eksperimenter bekræftede deres resultater.

Yakobson sagde, at både Rice- og Oak Ridge-holdene arbejdede uafhængigt med aspekter af forskningen. "Det gik langsomt, indtil vi mødtes til en konference i Florida for et par år tilbage og indså, at vi skulle fortsætte sammen, " sagde han. "Det var bestemt glædeligt at se, hvordan eksperimenter bekræftede modellerne, mens de nogle gange byder på vigtige overraskelser. Nu skal vi gøre det ekstra arbejde for også at forstå dem."