Kanaler i subnanometerskala i 2D-materialer kunne pege mod fremtidig elektronik, solceller

"Todimensionelle materialer" - materialer aflejret i lag, der kun er nogle få atomer tykke - er lovende for både højtydende elektronik og fleksible, gennemsigtig elektronik, der kunne lægges i lag på fysiske overflader for at gøre databehandling allestedsnærværende.

Det mest kendte 2D-materiale er grafen, som er en form for kulstof, men for nylig har forskere undersøgt andre 2-D materialer, såsom molybdændisulfid, som har deres egne, tydelige fordele.

Fremstilling af nyttig elektronik, imidlertid, kræver integration af flere 2D-materialer i samme plan, hvilket er en hård udfordring. I 2015 forskere ved King Abdullah University i Saudi-Arabien udviklede en teknik til at deponere molybdændisulfid (MoS2) ved siden af ​​wolframdiselenid (WSe2), med en meget ren forbindelse mellem de to materialer. Med en variation af teknikken, forskere ved Cornell University fandt derefter ud af, at de kunne fremkalde lange, lige ledninger af MoS2 - kun nogle få atomer i diameter - for at strække sig ind i WSe2, samtidig med at det rene kryds bevares.

Forskerne kontaktede Markus Buehler, McAfee professor i ingeniørvidenskab i MIT's afdeling for civil- og miljøteknik, der er specialiseret i modeller på atomniveau for sprækkeudbredelse, for at se, om hans gruppe kunne hjælpe med at forklare dette mærkelige fænomen.

I det seneste nummer af Naturmaterialer , Kong Abdullah, Cornell, og MIT-forskere team med kolleger ved Academia Sinica, det taiwanske nationale forskningsakademi, og Texas Tech University for at beskrive både materialeaflejringsmetoden og mekanismen, der ligger til grund for dannelsen af ​​MoS2 nanotrådene, som MIT-forskerne var i stand til at modellere beregningsmæssigt.

"Fremstillingen af ​​nye 2D-materialer er stadig en udfordring, " Buehler siger. "Opdagelsen af ​​mekanismer, hvorved visse ønskede materialestrukturer kan skabes, er nøglen til at flytte disse materialer mod applikationer. I denne proces, det fælles arbejde med simulering og eksperiment er afgørende for at gøre fremskridt, især ved at bruge modeller på molekylært niveau af materialer, der muliggør nye designretninger."

Kablet op

Evnen til at skabe lange, tynde MoS2-kanaler i WSe2 kan have en række applikationer, siger forskerne.

"Baseret på [materialernes] elektriske egenskaber og optiske egenskaber, folk kigger på at bruge MoS2 og WSe2 til solceller eller til vandopdeling baseret på sollys, " siger Gang Seob Jung, en MIT kandidatstuderende i civil- og miljøteknik og en medforfatter på det nye papir. "De fleste af de interessante ting sker ved grænsefladen. Når du ikke kun har den ene grænseflade - hvis der er mange nanotrådsgrænseflader - kan det forbedre effektiviteten af ​​en solcelle, selvom det er ret tilfældigt."

Men den teoretiske forklaring på den molekylære mekanisme, der ligger til grund for nanotrådenes dannelse, rejser også håbet om, at deres dannelse kunne kontrolleres, for at muliggøre samling af elektroniske komponenter i atomskala.

"To-D materialer, en af ​​de mest lovende kandidater til fremtidens elektronik, i sidste ende nødt til at slå silicium-baserede enheder, som allerede har opnået et par nanometer i størrelse, " siger Yimo Han, en Cornell kandidatstuderende i kemi og første forfatter på papiret. "To-D materialer er de tyndeste i lodret retning, men spænder stadig over et ret stort område i de laterale dimensioner. Vi lavede de tyndeste dislokationsfrie kanaler i 2-D materialer, hvilket er et stort skridt mod subnanometer elektroniske enheder ud af 2-D materialer."

Udbredende polygoner

I en 2-D krystal, både MoS2 og WSe2 arrangerer sig naturligt i sekskanter, hvori de indgående elementer - molybdæn og svovl eller wolfram og selen - veksler. Sammen, disse sekskanter producerer et bikagemønster.

Cornell-forskernes fremstillingsteknik bevarer dette honeycomb-mønster på tværs af krydset mellem materialer, en sjælden bedrift og en, der er meget nyttig til elektronikapplikationer. Deres teknik bruger kemisk dampaflejring, hvor et substrat - i dette tilfælde, safir - udsættes for gasser, der bærer kemikalier, der reagerer for at producere de ønskede materialer.

De naturlige størrelser af MoS2 og WSe2 sekskanterne er lidt forskellige, imidlertid, så deres integration belaster begge krystaller, især tæt på deres kryds. Hvis et par WSe2-sekskanter lige ved MoS2-krydset konverteres til en sekskant matchet med en sekskant (en syvsidet polygon), det frigiver belastningen.

Denne såkaldte 5|7-dislokation skaber et sted, hvor en MoS2-partikel kan fæstne sig. Den resulterende reaktion indsætter et molybdænatom i femkanten, producerer en sekskant, og brækker sekskanten op. Svovlatomer binder sig derefter til sekskanten for at danne en anden 5|7 dislokation. Når denne proces gentager sig, 5|7-dislokationen bevæger sig dybere ind i WSe2-territoriet, med en nanotråd, der strækker sig bagved. Mønsteret, hvori belastningen på de uoverensstemmende sekskanter slapper af og går igen, sikrer, at dislokationen skrider frem langs en lige linje.