Kortlægning af krystalformer kunne hurtigt spore 2D-materialer

Materialeforskere ved Rice University og University of Pennsylvania efterlyser et kollektiv, global indsats for at fremskynde masseproduktionen af ​​2-D materialer som grafen og molybdændisulfid.

I en perspektivisk artikel offentliggjort online i Materialer i dag , chefredaktør for tidsskriftet Jun Lou og kolleger argumenterer for en fokuseret, kollektiv indsats for at løse de forskningsmæssige udfordringer, der kunne bane vejen for storskala masseproduktion af 2-D materialer.

Lou og andre rismaterialeforskere Ming Tang, Jing Zhang og Fan Wang sluttede sig til Penns Vivek Shenoy i beskrivelsen af ​​den potentielle transformation i 2-D materialeteknologi, der kunne være resultatet af en systematisk, samfundsdækkende indsats for at kortlægge formerne på de 2-D krystaller, der dyrkes i laboratorier verden over via en proces kendt som kemisk dampaflejring (CVD).

"Som snefnug i naturen, 2-D krystaller udviser et rigt udvalg af morfologier under forskellige vækstbetingelser, " skrev de.

Kortlægning af disse unikke krystalmønstre og kompilering af kortene i en global database, sammen med opskrifterne til at skabe hvert mønster, kunne låse op for et væld af information "for at forstå, diagnosticering og kontrol af CVD-processen og miljøet for 2-D materialevækst, " skrev forskerne.

CVD er en almindeligt anvendt proces til fremstilling af tynde film, herunder kommercielt vigtige materialer i halvlederindustrien. I en typisk CVD-reaktion, en flad plade af materiale kaldet et substrat placeres i et reaktionskammer, og gasser strømmer gennem kammeret på en sådan måde, at de reagerer og danner en fast film oven på substratet.

Et mål med feltet er at udvikle computersoftware, der nøjagtigt kan forudsige egenskaberne af en tynd film, der vil resultere fra blanding af specifikke reaktantgasser under specifikke forhold. At skabe sådanne modeller er kompliceret af både en ufuldstændig forståelse af de fysiske og kemiske processer, der finder sted under CVD og af eksistensen af ​​snesevis af CVD-reaktorformater.

Katalogisering af formen på krystaller produceret ved CVD-eksperimenter kunne give materialeforskere vigtig information om deres syntese, stort set på samme måde som mineraloger henter værdifulde spor om Jordens historie baseret på undersøgelse af naturligt forekommende krystalstrukturer, Lou og kolleger foreslog.

"Tag de smukke snefnug som et eksempel, " skrev forfatterne. "En måske overraskende kendsgerning for mange er, at snekrystaller kan udvise mange forskellige kategorier af former, som afhænger af temperaturen og vandovermætningen af ​​atmosfæren, hvori de er dannet."

Den japanske videnskabsmand Ukichiro Nakaya, gennem omfattende observationer af snefnug i både naturen og laboratoriet, udviklet en figur kendt som Nakaya-diagrammet for at hjælpe med at tyde oplysningerne i snefnug. Ved at undersøge formerne i et snefnug, og se, hvor disse former ligger på Nakayas diagram, forskere kan bestemme de nøjagtige atmosfæriske forhold, der producerede snefnuget, som Nakaya poetisk omtalte som "et brev fra himlen."

Inspireret af Nakayas arbejde, Lou og kolleger skabte et Nakaya-lignende diagram af 2-D krystalmønstre, der er blevet produceret via CVD og demonstrerede, hvordan det og andre morfologidiagrammer kunne bruges til at udlede ledetråde om procesvariabler som gasstrømningshastigheder og opvarmningstemperaturer, der producerede hvert mønster.

Takket være fremskridt inden for billeddannelse i realtid og i automatiserede systemer, der kan producere store datasæt af krystalstrukturer, forfatterne sagde, at der er "reelt potentiale for udvikling af morfologidiagrammer til at blive en almindelig praksis og tjene som en hjørnesten i krystalvækst."