Elektrokemisk tuning af enkeltlagsmaterialer er afhængig af defekter

Perfektion er ikke alt, ifølge et internationalt team af forskere, hvis 2-D materialestudie viser, at defekter kan forbedre et materiales fysiske, elektrokemisk, magnetisk, energi og katalytiske egenskaber.

"Elektroniske anordninger, ligesom transistorer, er normalt lavet af relativt omfangsrige stablede lag af metal, oxider og krystallinske halvledere, "sagde Shengxi Huang, adjunkt i elektroteknik, Penn State. "Vi vil gerne lave dem med todimensionale materialer, så de kan være hurtigere, mindre og mere fleksibel. "

At gøre dette, forskerne kigger på molybdensulfid enkelt atomlag. De rapporterer resultaterne af deres undersøgelse i et nylig nummer af ACS Nano .

Molybdensulfid er et molekyle, der består af et molybdænatom med to svovlatomer fastgjort. Molekylerne ligger på linje med molybdæn i midten og svovlatomerne på toppen og bunden, når de danner en 2-D, enkeltlag, film. Disse film blev placeret på en række forskellige underlag - guld, enkeltlags grafen, sekskantet bornitrid og ceriumdioxid - og bestrålet for at skabe defekter i gitterstrukturen.

Oprettelse af 2-D materialer er ikke en perfekt fremstillingsproces, og der er altid defekter i gitteret. Forskerne ønskede at bestemme, hvordan disse defekter ændrede molybdensulfidets fysiske og elektrokemiske egenskaber. Bestråling får nogle af molybdensulfidet til at miste et svovlatom fra overfladen. Ved hjælp af disse mindre end perfekte film, forskerne kunne se, hvordan materialerne ændrede sig ved hjælp af en række forskellige mikroskopier og spektroskopier.

Simuleringer af gitterdefekter tillod forskerne at manipulere materialerne og producere strukturer, der matchede de eksperimentelt defekte film. De fandt ud af, at materialegenskabernes resultater af deres simuleringer matchede deres eksperimentelle resultater.

"Vi fandt ud af, at svovlfejlene forbedrede materialets fysiske egenskaber, "sagde Huang." Ved at vælge placeringer og antal fejl, vi bør være i stand til at justere materialets båndstruktur, forbedre sine elektroniske muligheder. "

Eksperimentelt, forskerne fandt ud af, at mange flere svovlatomer går tabt end molybdænatomer, fordi svovlet er på overfladerne, og molybdænet er beskyttet i midten. De bemærkede også, at fordi så mange svovlatomer forlader materialet, mangler forårsaget af fravær af svovl overvælder enhver effekt fraværet af et molybdæn i gitteret kan have.

Undersøgelse af, hvordan forskellige substrater forbedrede eller ikke forbedrede egenskaberne af det todimensionale materiale, forskerne fandt ud af, at "substraterne kan indstille de elektroniske energiniveauer i molybdensulfid på grund af ladningsoverførsel ved grænsefladen." Substratets materialegenskaber ændrer også egenskaberne af det todimensionale enkeltlag. Ceriumdioxid, fordi det er et oxid, ændret materialets elektriske egenskaber anderledes end de andre substrater.

Mindre, hurtigere og mere fleksibel elektronik er ikke det eneste mulige resultat af tuning af disse 2-D materialer.

"Hvis vi har den rigtige mængde svovl ledige, vi kan forbedre kemiske processer som brintudvikling fra vand, "sagde Huang.

Materialer som molybdensulfid bruges som katalysatorer i kemiske reaktioner. Huang refererer til spaltning af vand, en proces, der bruges til at skabe gasformigt hydrogen og ilt fra flydende vand, hvor korrekt defekt molybdensulfid kan forbedre processen og reducere de nødvendige mængder energi og omkostninger og øge mængden af ​​produceret brint.

Molybdæn er et overgangsmetal, og andre medlemmer af denne atomgruppe danner også molekyler kaldet dichalcogenider. Disse omfatter wolfram, niob, zirkonium, titanium og tantal, og de danner lag med svovl og andre chalcogenider, såsom selen og tellur. Andre dichalcogenider kan fremstilles til 2-D materialer og kan også afstemmes for at forbedre deres egenskaber.