De flade og de nysgerrige

De bemærkelsesværdige egenskaber ved 2D-materialer – der består af et enkelt lag af atomer – har gjort dem til de mest intenst studerede materialer i vor tid. De har potentialet til at indlede en ny generation af forbedret elektronik, batterier og sensoriske apparater, blandt andre applikationer.

En hindring for at realisere anvendelser af disse materialer er de nødvendige omkostninger og tid til eksperimentelle undersøgelser. Imidlertid, computersimuleringer hjælper forskere med at overvinde denne udfordring for præcist at karakterisere materielle strukturer og funktioner i et accelereret tempo.

Ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, forskere har simuleret væksten af ​​silicen, et 2-D materiale med attraktive elektroniske egenskaber. Deres arbejde, udgivet i Nanoskala , leverer ny og nyttig indsigt i materialets egenskaber og adfærd og tilbyder en forudsigelsesmodel for andre forskere, der studerer 2-D materialer.

Fremadrettet, denne model kan accelerere forskernes forståelse af 2-D materialer, og bringe os tættere på at realisere deres applikationer inden for en bred vifte af industrier.

I simuleringer, Argonne-forskere observerede silicen, består af et lag siliciumatomer, udvikle sig, efterhånden som den voksede på metallet iridium. Forskerne udviklede deres model med støtte fra Argonne's Center for Nanoscale Materials og Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) – begge DOE Office of Science User Facilities – og ved hjælp af eksperimentelle data om silicenvækst.

"Vi brugte eksperimentelle data til at bygge modellen, " sagde Mathew Cherukara, Argonne postdoc-forsker og hovedforfatter. "Vi brugte derefter denne version af modellen til at lave forudsigelser under forskellige forhold, og lær også de underliggende fysiske processer, der styrer materialets vækst."

Forfatterne arbejdede derefter sammen med ALCF-forskere for at simulere væksten af ​​silicen atom for atom. De simulerede materialet under forskellige forhold, ændre variabler såsom temperatur og den hastighed, silicen blev aflejret, indtil de fandt de bedste betingelser for at skabe en single, ensartet lag.

"I bund og grund lavede vi virtuelle 'eksperimenter' for at optimere forskellige variabler, alt sammen til en meget lavere pris end i laboratoriet, " sagde Badri Narayanan, Argonne materialeforsker og fælles hovedforfatter. "Nu, andre kan undgå meget af trial and error i laboratoriet. I stedet kan de eksperimentere ved at bruge det optimerede sæt betingelser, som vores model forudsiger, for bedst at give de strukturer og egenskaber, de ønsker."

Med silicen, siliciumatomer kan arrangere sig i fire-, fem- eller endda seks-mands ringe, danner klynger eller øer. Dets materialeegenskaber kan ændre sig drastisk afhængigt af antallet af atomer i en ring, størrelsen og fordelingen af ​​disse ringe og hvordan de forbinder sig med hinanden over tid.

"I simuleringerne, vi tyede til at bruge maskinlæringsalgoritmer til at identificere disse små klynger i farten, " sagde Argonne Postdoctoral Fellow og medforfatter Henry Chan. "Størrelsen og formen af ​​klyngerne, og hvordan de kombineres, dikterer i sidste ende egenskaberne af disse 2-D materialer."

En fordel ved at modellere 2-D materialer såsom silicen er, at forskere kan visualisere atomare interaktioner og konfigurationer, som dannelsen af ​​mellemliggende klynger under vækstprocessen. Disse udvikler sig ofte for hurtigt til, at forskere kan fange dem under eksperimenter.

"Det er meget vanskeligt at fange klynger eller øer, der dannes, fordi de sker over meget korte tidsskalaer og små længdeskalaer, " sagde Subramanian Sankaranarayanan, Argonne videnskabsmand og medforfatter. "Vores simuleringer, som kun fanger titusvis af nanosekunder, lykkes med at vise, hvordan disse små strukturer dannes og afslører de optimale betingelser for rent faktisk at tune strukturerne på den ene eller anden måde."

"Silicenvækst gennem ø-migrering og sammensmeltning" blev vist på forsiden af ​​augustudgaven af Nanoskala .