Skaber perfekte kanter i 2D-materialer

Ultratynde materialer såsom grafen lover en revolution inden for nanovidenskab og teknologi. Forskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, har offentliggjort en undersøgelse i Naturkommunikation hvor de præsenterer en metode til at kontrollere kanterne af todimensionelle materialer ved hjælp af et "magisk" kemikalie.

"Vores metode gør det muligt at kontrollere kanterne - atom for atom - på en måde, der er både nem og skalerbar, bruger kun mild opvarmning sammen med rigelig, miljøvenlige kemikalier, såsom hydrogenperoxid, " siger Battulga Munkhbat, en postdoc ved Institut for Fysik på Chalmers Tekniske Universitet, og avisens første forfatter.

Materialer så tynde som blot et enkelt atomlag er kendt som todimensionelle, eller 2-D, materialer. Det mest kendte eksempel er grafen, samt molybdændisulfid, dens halvlederanalog. Fremtidige udviklinger inden for feltet kunne drage fordel af at studere en bestemt egenskab, der er forbundet med sådanne materialer - deres kanter. At kontrollere kanterne er et udfordrende videnskabeligt problem, fordi de er meget forskellige i forhold til hoveddelen af ​​et 2-D-materiale. For eksempel, en specifik type kant fundet i overgangsmetal dichalcogenider (kendt som TMD'er, såsom det førnævnte molybdændisulfid), kan have magnetiske og katalytiske egenskaber.

Typiske TMD-materialer har kanter, der kan findes i to forskellige varianter, kendt som zigzag eller lænestol. Disse alternativer er så forskellige, at deres fysiske og kemiske egenskaber slet ikke er ens. For eksempel, beregninger forudsiger, at zigzag-kanter er metalliske og ferromagnetiske, hvorimod lænestolens kanter er halvledende og ikke-magnetiske. I lighed med disse bemærkelsesværdige variationer i fysiske egenskaber, man kunne forvente, at de kemiske egenskaber ved zigzag og lænestolskanter også er meget forskellige. Hvis så, det kan være muligt, at visse kemikalier kan opløse lænestolens kanter, mens de efterlader zigzag dem upåvirket.

Nu, sådan et magisk kemikalie er præcis, hvad Chalmers-forskerne har fundet – i form af almindelig brintoverilte. I første omgang, forskerne var fuldstændig overraskede over de nye resultater.

"Det var ikke kun, at en type kant var dominerende over de andre, men også at de resulterende kanter var ekstremt skarpe - næsten atomisk skarpe. Dette indikerer, at det 'magiske' kemikalie fungerer på en såkaldt selvbegrænsende måde, fjernelse af uønsket materiale atom for atom, til sidst resulterer i kanter ved den atomare skarpe grænse. De resulterende mønstre fulgte den krystallografiske orientering af det originale TMD-materiale, producerer smukke, atomisk skarpe sekskantede nanostrukturer, " siger Battulga Munkhbat.

"En yderst fascinerende udvikling"

Den nye metode, som inkluderer en kombination af standard top-down litografiske metoder med en ny anisotropisk vådætsningsproces, gør det derfor muligt at skabe perfekte kanter i todimensionelle materialer.

"Denne metode åbner nye og hidtil usete muligheder for van der Waals materialer (lagdelte 2-D materialer). Vi kan nu kombinere kantfysik med 2-D fysik i ét enkelt materiale. Det er en ekstremt fascinerende udvikling, " siger Timur Shegai, Lektor ved Institut for Fysik på Chalmers og leder af forskningsprojektet.

Disse og andre relaterede materialer tiltrækker ofte betydelig forskningsmæssig opmærksomhed, da de muliggør afgørende fremskridt inden for nanovidenskab og teknologi, med potentielle anvendelser lige fra kvanteelektronik til nye typer nano-enheder. Disse forhåbninger kommer til udtryk i Graphene Flagship, Europas største forskningsinitiativ nogensinde, som koordineres af Chalmers Tekniske Universitet.

For at gøre den nye teknologi tilgængelig for forskningslaboratorier og højteknologiske virksomheder, forskerne har grundlagt en nystartet virksomhed, der tilbyder højkvalitets atomisk skarpe TMD-materialer. Forskerne planlægger også at videreudvikle applikationer til disse atomisk skarpe metamaterialer.