Forskere udvikler en ny klasse af todimensionelle materialer

Et forskerhold ledet af UCLA videnskabsmænd og ingeniører har udviklet en metode til at lave nye slags kunstige "supergitter" - materialer bestående af skiftende lag af ultratynde "todimensionelle" plader, som kun er et eller nogle få atomer tykke. I modsætning til nuværende avancerede supergitter, hvor vekslende lag har lignende atomare strukturer, og dermed lignende elektroniske egenskaber, disse vekslende lag kan have radikalt forskellige strukturer, egenskaber og funktioner, noget, der ikke tidligere var tilgængeligt.

For eksempel, mens et lag af denne nye slags supergitter kan tillade en hurtig strøm af elektroner gennem det, den anden type lag kan fungere som en isolator. Dette design begrænser de elektroniske og optiske egenskaber til enkelte aktive lag, og forhindrer dem i at forstyrre andre isolerende lag.

Sådanne supergitter kan danne grundlag for forbedrede og nye klasser af elektroniske og optoelektroniske enheder. Applikationerne omfatter superhurtige og ultraeffektive halvledere til transistorer i computere og smarte enheder, og avancerede LED'er og lasere.

Sammenlignet med den konventionelle lag-for-lag-samling eller væksttilgang, der i øjeblikket bruges til at skabe 2D-supergitter, den nye UCLA-ledede proces til fremstilling af supergitter af 2D-materialer er meget hurtigere og mere effektiv. Mest vigtigt, den nye metode giver let supergitter med tiere, hundreder eller endda tusindvis af skiftende lag, hvilket endnu ikke er muligt med andre tilgange.

Denne nye klasse af supergitter veksler mellem 2D-atomare krystalplader, der er adskilt med molekyler af varierende former og størrelser. Træde i kræft, dette molekylære lag bliver det andet "ark", fordi det holdes på plads af "van der Waals"-kræfter, svage elektrostatiske kræfter for at holde ellers neutrale molekyler "hæftet" til hinanden. Disse nye supergitter kaldes "monolayer atomic crystal molecular supergittices."

Studiet, udgivet i Natur , blev ledet af Xiangfeng Duan, UCLA professor i kemi og biokemi, og Yu Huang, UCLA professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering.

"Traditionelle halvledersupergitter kan normalt kun fremstilles af materialer med meget lignende gittersymmetri, normalt med ret ens elektroniske strukturer, " sagde Huang. "For første gang, vi har skabt stabile supergitterstrukturer med radikalt forskellige lag, dog næsten perfekte atom-molekylære arrangementer inden for hvert lag. Denne nye klasse af supergitterstrukturer har skræddersyede elektroniske egenskaber til potentielle teknologiske anvendelser og yderligere videnskabelige undersøgelser."

En aktuel metode til at bygge et supergitter er manuelt at stable de ultratynde lag oven på hinanden. Men dette er arbejdskrævende. Ud over, da de flagelignende plader er skrøbelige, det tager lang tid at bygge, fordi mange ark går i stykker under placeringsprocessen. Den anden metode er at dyrke det ene nyt lag oven på det andet, ved hjælp af en proces kaldet "kemisk dampaflejring". Men da det betyder andre forhold, såsom varme, tryk eller kemiske miljøer, er nødvendige for at dyrke hvert lag, processen kan resultere i ændring eller brud på laget nedenunder. Denne metode er også arbejdskrævende med lavt udbytte.

Den nye metode til at skabe monolag atomare krystal molekylære supergitter bruger en proces kaldet "elektrokemisk interkalation, ", hvor der påføres en negativ spænding. Dette injicerer negativt ladede elektroner i 2D-materialet. Derefter, dette tiltrækker positivt ladede ammoniummolekyler ind i mellemrummene mellem atomlagene. Disse ammoniummolekyler samles automatisk i nye lag i den ordnede krystalstruktur, skabe et supergitter.

"Tænk på et todimensionelt materiale som en stak spillekort, " sagde Duan. "Så forestil dig, at vi kan få en stor bunke af nærliggende plastikperler til at indsætte sig selv, i perfekt orden, klemme mellem hvert kort. Det er den analoge idé, men med en krystal af 2D-materiale og ammoniummolekyler."

Forskerne demonstrerede først den nye teknik ved at bruge sort fosfor som et base 2D atomisk krystalmateriale. Ved at bruge den negative spænding, positivt ladede ammoniumioner blev tiltrukket ind i grundmaterialet, og indsatte sig selv mellem de lagdelte atomare fosforplader."

Efter den succes, holdet indsatte forskellige typer ammoniummolekyler med forskellige størrelser og symmetrier i en række 2D-materialer for at skabe en bred klasse af supergitter. De fandt ud af, at de kunne skræddersy strukturerne af de resulterende monolag atomare krystal molekylære supergitter, som havde en bred vifte af ønskelige elektroniske og optiske egenskaber." De resulterende materialer kunne være nyttige til at lave hurtigere transistorer, der forbruger mindre strøm, eller til at skabe effektive lysemitterende enheder, " sagde Duan.