Se todimensionelle materialer vokse

De er blandt de tyndeste strukturer på jorden:"todimensionelle materialer" er krystaller, som kun består af et eller få lag atomer. De udviser ofte usædvanlige egenskaber, lover mange nye anvendelser inden for optoelektronik og energiteknologi. Et af disse materialer er 2-D-molybdænsulfid, et atomisk tyndt lag af molybdæn- og svovlatomer.

Fremstillingen af ​​sådanne ultratynde krystaller er vanskelig. Krystallisationsprocessen afhænger af mange forskellige faktorer. I fortiden, forskellige teknikker har givet ret forskellige resultater, men årsagerne hertil kunne ikke forklares nøjagtigt. Takket være en ny metode udviklet af forskerhold ved TU Wien, Universitetet i Wien og Joanneum Research i Steiermark, for første gang nogensinde er det nu muligt at observere krystallisationsprocessen direkte under elektronmikroskopet. Metoden er nu blevet præsenteret i det videnskabelige tidsskrift ACS Nano .

Fra gas til krystal

"Molybdænsulfid kan bruges i gennemsigtige og fleksible solceller eller til bæredygtig fremstilling af brint til energilagring, " siger hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, Bernhard C. Bayer fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "For at gøre dette, imidlertid, krystaller af høj kvalitet skal dyrkes under kontrollerede forhold."

Normalt gøres dette ved at starte med atomer i gasform og derefter kondensere dem på en overflade på en tilfældig og ustruktureret måde. I et andet trin, atomerne er arrangeret i regulær krystalform – gennem opvarmning, for eksempel. "De forskellige kemiske reaktioner under krystallisationsprocessen er, imidlertid, stadig uklart, hvilket gør det meget vanskeligt at udvikle bedre produktionsmetoder til 2-D materialer af denne art, " fastslår Bayer.

Takket være en ny metode, imidlertid, det skulle nu være muligt nøjagtigt at studere detaljerne i krystallisationsprocessen. "Det betyder, at det ikke længere er nødvendigt at eksperimentere gennem forsøg og fejl, men takket være en dybere forståelse af processerne, vi kan med sikkerhed sige, hvordan man opnår det ønskede produkt, " tilføjer Bayer.

Grafen som substrat

Først, molybdæn og svovl placeres tilfældigt på en membran lavet af grafen. Grafen er nok det mest kendte af 2D-materialerne – en krystal med en tykkelse på kun et atomlag bestående af kulstofatomer arrangeret i et bikagegitter. De tilfældigt arrangerede molybdæn- og svovlatomer manipuleres derefter i elektronmikroskopet med en fin elektronstråle. Den samme elektronstråle kan bruges samtidigt til at afbilde processen og til at starte krystallisationsprocessen.

På den måde er det nu for første gang blevet muligt direkte at observere, hvordan atomerne bevæger sig og omarrangeres under materialets vækst med en tykkelse på kun to atomlag. "Derved, vi kan se, at den mest termodynamisk stabile konfiguration ikke nødvendigvis altid behøver at være den endelige tilstand, " siger Bayer. Forskellige krystalarrangementer konkurrerer med hinanden, forvandle sig til hinanden og erstatte hinanden. "Derfor, det er nu klart, hvorfor tidligere undersøgelser havde så forskellige resultater. Vi har at gøre med et kompleks, dynamisk proces." De nye resultater vil hjælpe med at tilpasse strukturen af ​​2D-materialerne mere præcist til anvendelseskravene i fremtiden ved at interferere med omarrangeringsprocesserne på en målrettet måde.