To-dimensionelle materialer får en ny teori om kontrol af egenskaber

Ønskelige egenskaber, herunder øget elektrisk ledningsevne, forbedrede mekaniske egenskaber, eller magnetisme til hukommelseslagring eller informationsbehandling kan være mulig på grund af en teoretisk metode til at kontrollere korngrænser i todimensionale materialer, ifølge materialforskere fra Penn State.

To-dimensionelle (2D) materialer har været fokus for intensiv undersøgelse i det sidste årti, men før arbejdet i Yuanxi Wang, en nylig doktorgrad i Penn State og Vincent H. Crespi, fremragende professor i fysik, materialevidenskab og teknik og kemi i Penn State, ingen havde udtænkt en generel måde at kontrollere placeringen og typen af ​​korngrænser i 2D -materialer.

"Når du dyrker et 2D -materiale, en tynd film, du deponerer materialer på et substrat, "Crespi forklaret." Da atomerne falder ned på substratet, de organiserer sig selv i krystallinske områder kaldet korn. "

Når kornene ekspanderer, de løber ind i andre voksende krystallinske områder, og hvor de mødes kaldes korngrænsen. Men som at flise et gulv ved at kaste fliserne tilfældigt, kornets orientering og korngrænser er vilkårlige, hvilket påvirker materialegenskaberne.

Indtil dette arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver , disse tilfældige korngrænser blev stort set anset for at være uheldige biprodukter af aflejringsprocessen.

"Typisk, når du dyrker et materiale, disse tilfældige korngrænser er dårlige, "sagde Crespi." Atomer parrer sig ikke til hinanden, som de gør i almindelige krystaller. Strøm og varme passerer ikke let igennem. De har en tendens til at sprede varme og elektroner. "

Crespi og Wang havde den idé, at ved at manipulere det underliggende substrat, de kunne forudbestemme, hvor korngrænserne ville begynde og ende, og få dem til at stille op i ordnede positioner. Nøgleformerne var baseret på noget kaldet gaussisk krumning, en række halvkugleformige stød og dips på et substrat, der ligner en æggekarton.

Wang foretog beregninger, der viste, at for to vidt undersøgte 2D -materialer, grafen og molybdendisulfid, væksten ville danne korngrænser på bestemte steder frem for at løsne sig fra substratet eller udvikle uønskede folder. Hvis 2D -materialet ikke klæber godt til underlaget, det vil generere en fold.

"Vi fandt ud af, at energien og kinetikken ved at danne korngrænser versus en fold eller løsrivelse, var gunstige i grafen og molybdendisulfid, og gælder for ethvert 2D -materiale, "Sagde Wang." Men ingen bump ville gøre det. De skal have gaussisk krumning. "

Applikationer inkluderer hukommelseslagring, hvor styring af magnetisk tilstand af et 2D magnetisk-korn grænsesystem ved at anvende en spænding ville være en meget nyttig kapacitet. Finstyringen af ​​elektroniske egenskaber via korngrænser kan også bruges i spintronics, som behandler oplysninger ved hjælp af elektronernes spin. Disse korngrænser styrer også ofte de mekaniske egenskaber af materialer, såsom hvordan de reagerer under strækning.

"Dette giver folk en ny måde at tænke på at optimere egenskaberne af 2D -materialer, hvor de har mere kontrol end tidligere, "Crespi sagde." Vi vidste ikke, at vi kunne have så fin kontrol over korngrænser, og derfor tænkte vi ikke på omhyggeligt at studere det magnetiske, termiske og elektroniske egenskaber ved korngrænser med henblik på at skabe 'korngrænsematerialer', hvis egenskaber bestemmes af en kontrolleret fordeling af specificerede korngrænser. "

Deres artikel i Nano bogstaver hedder "Theory of Finite-Length Grain Boundaries of Controlled Misfit Angle in Two-Dimensional Materials."