En ny måde at korrosionssikre tynde atomplader på

En række todimensionelle materialer, der har lovende egenskaber til optiske, elektronisk, eller optoelektroniske applikationer er blevet holdt tilbage af, at de hurtigt nedbrydes, når de udsættes for ilt og vanddamp. De hidtil udviklede beskyttende belægninger har vist sig at være dyre og giftige, og kan ikke tages af.

Nu, et team af forskere ved MIT og andre steder har udviklet en ultratynd belægning, der er billig, enkel at anvende, og kan fjernes ved at påføre visse syrer.

Den nye belægning kunne åbne op for en lang række potentielle anvendelser for disse "fascinerende" 2-D materialer, siger forskerne. Deres resultater er rapporteret i denne uge i tidsskriftet PNAS , i et papir af MIT kandidatstuderende Cong Su; professorer Ju Li, Jing Kong, Mircea Dinca, og Juejun Hu; og 13 andre på MIT og i Australien, Kina, Danmark, Japan, og U.K.

Forskning i 2-D materialer, som danner tynde plader, der kun er et eller nogle få atomer tykke, er "et meget aktivt felt, " siger Li. På grund af deres usædvanlige elektroniske og optiske egenskaber, disse materialer har lovende anvendelser, såsom meget følsomme lysdetektorer. Men mange af dem, inklusive sort fosfor og en hel kategori af materialer kendt som transition metal dichalcogenides (TMD'er), korroderer, når de udsættes for fugtig luft eller forskellige kemikalier. Mange af dem nedbrydes markant på få timer, udelukker deres anvendelighed til applikationer i den virkelige verden.

"Det er et nøglespørgsmål" for udviklingen af ​​sådanne materialer, siger Li. "Hvis du ikke kan stabilisere dem i luften, deres bearbejdelighed og anvendelighed er begrænset." En af grundene til, at silicium er blevet så allestedsnærværende materiale til elektroniske enheder, han siger, fordi det naturligt danner et beskyttende lag af siliciumdioxid på overfladen, når det udsættes for luft, forhindre yderligere nedbrydning af overfladen. Men det er sværere med disse atomært tynde materialer, hvis samlede tykkelse kunne være endnu mindre end siliciumdioxidbeskyttelseslaget.

Der har været forsøg på at belægge forskellige 2-D materialer med en beskyttende barriere, men indtil videre har de haft alvorlige begrænsninger. De fleste belægninger er meget tykkere end selve 2D-materialerne. De fleste er også meget skøre, danner let revner, der slipper igennem den korroderende væske eller damp, og mange er også ret giftige, skabe problemer med håndtering og bortskaffelse.

Den nye belægning, baseret på en familie af forbindelser kendt som lineære alkylaminer, forbedrer disse ulemper, siger forskerne. Materialet kan påføres i ultratynde lag, så lidt som 1 nanometer (en milliardtedel af en meter) tyk, og yderligere opvarmning af materialet efter påføring helbreder små revner for at danne en sammenhængende barriere. Belægningen er ikke kun uigennemtrængelig for en række forskellige væsker og opløsningsmidler, men blokerer også markant indtrængning af ilt. Og, det kan fjernes senere, hvis det er nødvendigt af visse organiske syrer.

"Dette er en unik tilgang" til at beskytte tynde atomplader, Li siger, der producerer et ekstra lag kun et enkelt molekyle tykt, kendt som et monolag, der giver en bemærkelsesværdig holdbar beskyttelse. "Dette giver materialet en faktor 100 længere levetid, " han siger, udvidelse af bearbejdeligheden og anvendeligheden af ​​nogle af disse materialer fra et par timer op til måneder. Og belægningsblandingen er "meget billig og nem at påføre, " tilføjer han.

Ud over teoretisk modellering af den molekylære opførsel af disse belægninger, holdet lavede en fungerende fotodetektor af flager af TMD-materiale beskyttet med den nye belægning, som et bevis på konceptet. Belægningsmaterialet er hydrofobt, hvilket betyder, at det kraftigt afviser vand, som ellers ville diffundere ind i belægningen og opløse et naturligt dannet beskyttende oxidlag i belægningen, fører til hurtig korrosion.

Påføringen af ​​belægningen er en meget enkel proces, Su forklarer. 2-D materialet placeres simpelthen i et bad af flydende hexylamin, en form af den lineære alkylamin, som opbygger den beskyttende belægning efter ca. 20 minutter, ved en temperatur på 130 grader Celsius ved normalt tryk. Derefter, at fremstille en glat, revnefri overflade, materialet nedsænkes i yderligere 20 minutter i damp af den samme hexylamin.

"Du putter bare waferen i dette flydende kemikalie og lader det opvarmes, " siger Su. "I bund og grund, det er det." Belægningen "er ret stabil, men det kan fjernes med visse meget specifikke organiske syrer."

Brugen af ​​sådanne belægninger kan åbne op for nye forskningsområder om lovende 2D-materialer, inklusive TMD'er og sort fosfor, men potentielt også silicen, stanine, og andre relaterede materialer. Da sort fosfor er det mest sårbare og let nedbrydelige af alle disse materialer, det er, hvad holdet brugte til deres indledende proof of concept.

Den nye belægning kunne give en måde at overvinde "den første forhindring for at bruge disse fascinerende 2-D materialer, " siger Su. "Praktisk set, du er nødt til at håndtere nedbrydningen under behandlingen, før du kan bruge disse til nogen applikationer, "og det skridt er nu gennemført, han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.