Træd lige op for større 2-D-ark

Meget små trin gør en stor forskel for forskere, der ønsker at skabe store skiver af todimensionalt materiale.

Atomstore trin i et substrat giver mulighed for, at 2-D-krystaller, der vokser i en kemisk dampovn, kan samles i perfekt rang. Forskere har for nylig observeret dette fænomen, og nu har en Rice University -gruppe en idé om, hvorfor det virker.

Risteoretikeren Boris Yakobson og forskeren Ksenia Bets ledede konstruktionen af ​​simuleringer, der viser trin i atomstørrelse på en vækstoverflade, eller substrat, har den bemærkelsesværdige evne til at holde monolags krystaløer i overensstemmelse med dem, når de vokser.

Hvis betingelserne er rigtige, øerne slutter sig til en større krystal uden korngrænserne så karakteristiske for 2-D materialer som grafen dyrket via kemisk dampaflejring (CVD). Det bevarer deres elektroniske perfektion og egenskaber, som varierer afhængigt af materialet.

Risteorien optræder i American Chemical Society journal Nano bogstaver .

Undersøgelsen fokuserede på sekskantet bornitrid (h-BN), aka hvid grafen, en krystal, der ofte vokser via CVD. Krystaller kerner forskellige steder på et perfekt fladt substratmateriale og ikke nødvendigvis i overensstemmelse med hinanden.

Imidlertid, nylige eksperimenter har vist, at vækst på vicinale substrater - overflader, der fremstår flade, men faktisk har sparsomme, atomisk små trin - kan justere krystallerne og hjælpe dem med at smelte sammen til en enkelt, ensartet struktur, som rapporteret om arXiv. En medforfatter af rapporten og leder af det koreanske team, Feng Ding, er en alumnus i Yakobson -laboratoriet og en nuværende adjungeret professor ved Rice.

Men eksperimenterne viser ikke, hvordan det fungerer som, Yakobson sagde, trinene er kendt for at snoede sig og være noget forkert justeret.

"Jeg kan godt lide at sammenligne mekanismen med et 'digitalt filter, 'her tilbudt af atomgitternes diskrete natur, "sagde han." Den analoge kurve, der, med sine skråninger, beskriver, at et meanderingstrin 'samples og digitaliseres' af selve nettet af konstituerende atomrækker, bryde kurven i lige 1D-terrassesegmenter. Hældningen hjælper ikke, men det gør ikke ondt. Overraskende, kampen kan være god; som et veldesignet hus på en bakke, den står lige.

"Teorien er enkel, selvom det krævede meget hårdt arbejde at beregne og bekræfte komplementaritetsmatchningen mellem metalskabelonen og h-BN, næsten som for A-G-T-C par i DNA-tråde, "Sagde Yakobson.

Det var uklart, hvorfor krystallerne smeltede sammen til en så godt indtil simuleringer af Bets, ved hjælp af medforfatter og ris-kandidatstuderende Nitant Gupta, viste, hvordan h-BN "øer" forbliver på linje, mens de kerner langs synligt buede trin.

"En vicinal overflade har trin, der er lidt forkert justeret inden for det flade område, "Bets sagde." Det har store terrasser, men lejlighedsvis vil der være et atomhøje trin. Experimentisternes trick var at justere disse vicinale trin i en retning. "

Ved kemisk dampaflejring, en varm gas af atomerne, der vil danne materialet, strømmer ind i kammeret, hvor de sætter sig på substratet og nukleatkrystaller. h-BN-atomer på en vicinal overflade foretrækker at bosætte sig i trinens skurk.

"De har dette fine hjørne, hvor atomerne vil have flere naboer, hvilket gør dem gladere, "Bets sagde." De forsøger at tilpasse sig trinene og vokse derfra.

"Men fra et fysisk synspunkt, det er umuligt at have en perfekt, atomisk fladt trin, "sagde hun." Før eller siden, der vil være små fordybninger, eller knæk. Vi fandt ud af, at i atomskala, disse knæk i trinene forhindrer ikke h-BN i at tilpasse sig, hvis deres dimensioner er komplementære til h-BN-strukturen. Faktisk, de er med til at sikre øernes orientering. "

Fordi de trin, Rice-laboratoriet modellerede, er 1,27 Ångstrøm dybe (en Ångstrøm er en milliarddel af en meter), de voksende krystaller har få problemer med at overskride grænsen. "Disse trin er mindre end bindingsafstanden mellem atomerne, "Bets sagde." Hvis de var større, som to ångstrøm eller højere, det ville mere være en naturlig barriere, så parametrene skal justeres omhyggeligt. "

To voksende øer, der nærmer sig hinanden, glider problemfrit sammen, ifølge simuleringerne. Tilsvarende revner, der vises langs trin let heler, fordi bindingerne mellem atomerne er stærke nok til at overvinde den lille afstand.

Enhver vej mod storstilet vækst af 2-D-materialer er værd at forfølge for en hær af applikationer, ifølge forskerne. 2-D materialer som ledende grafen, isolerende h-BN og halvledende overgangsmetaldichalcogenider er alle i fokus for intens granskning af forskere rundt om i verden. Risforskerne håber, at deres teoretiske modeller vil pege vejen mod store krystaller af mange slags.