Team afslører mulighederne for nye et-atom-tykke materialer

Nye 2D-materialer har potentialet til at transformere teknologier, med applikationer fra solceller til smartphones og bærbar elektronik, forklarer UMBC's Can Ataca, adjunkt i fysik. Disse materialer består af et enkelt lag af atomer bundet sammen i en krystalstruktur. Faktisk, de er så tynde, at en stak på 10 millioner af dem kun ville være 1 millimeter tyk. Og nogle gange, Ataca siger, mindre er mere. Nogle 2D-materialer er mere effektive og effektive end lignende materialer, der er meget tykkere.

På trods af deres fordele, imidlertid, 2-D materialer er i øjeblikket svære og dyre at lave. Det betyder, at forskerne, der forsøger at skabe dem, skal træffe omhyggelige valg om, hvordan de investerer deres tid, energi, og midler i udvikling.

Ny forskning af Daniel Wines, Ph.D. kandidat i fysik, og Ataca giver disse videnskabsmænd den information, de har brug for for at forfølge forskning med stor effekt på dette område. Deres teoretiske arbejde giver pålidelig information om, hvilke nye materialer der kan have ønskværdige egenskaber til en række anvendelser og kunne eksistere i en stabil form i naturen. I et nyligt papir offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader, de brugte banebrydende computermodelleringsteknikker til at forudsige egenskaberne af 2D-materialer, der endnu ikke er blevet fremstillet i det virkelige liv.

"Vi forsøger normalt at være fem eller deromkring år foran eksperimentelister, " siger Wines. På den måde, de kan undgå at gå ned i dyre blindgyder. "Det er tid, indsats, og penge, som de kan fokusere på andre ting."

Den perfekte blanding

Det nye papir fokuserer på stabiliteten og egenskaberne af 2-D materialer kaldet gruppe III nitrider. Disse er blandinger af nitrogen og et grundstof fra gruppe III i det periodiske system, som inkluderer aluminium, gallium, indium, og bor.

Forskere har allerede lavet nogle af disse 2-D materialer i små mængder. I stedet for at se på blandinger af et af gruppe III-elementerne med nitrogen, imidlertid, Vine og Ataca-modellerede legeringer - blandinger inklusive nitrogen og to forskellige gruppe III-elementer. For eksempel, de forudsagde egenskaberne af materialer lavet af hovedsageligt aluminium, men tilsat noget gallium, eller mest gallium, men tilsat lidt indium.

Disse "imellem" materialer kan have mellemliggende egenskaber, der kan være nyttige i visse applikationer. "Ved at lave denne legering, vi kan sige, Jeg har orange lys, men jeg har materialer, der kan absorbere rødt lys og gult lys, " siger Ataca. "Så hvordan kan jeg blande det, så det kan absorbere det orange lys?" Justering af disse materialers lysabsorptionsevne kan forbedre effektiviteten af ​​solenergisystemer, for eksempel.

Fremtidens legeringer

Ataca og vine så også på materialers elektriske og termoelektriske egenskaber. Et materiale har termoelektrisk evne, hvis det kan generere elektricitet, når den ene side er kold og den anden er varm. De grundlæggende gruppe III-nitrider har termoelektriske egenskaber, "men ved visse koncentrationer, de termoelektriske egenskaber af legeringer er bedre end de grundlæggende gruppe III-nitrider, " siger Ataca.

Vin tilføjer, "Det er hovedmotivationen for at udføre legeringen - egenskabernes tunerbarhed."

De viste også, at ikke alle legeringerne ville være stabile i det virkelige liv. For eksempel, blandinger af aluminium og bor i nogen koncentrationer var ikke stabile. Imidlertid, fem forskellige forhold mellem gallium-aluminium-blandinger var stabile.

Når først produktionen af ​​basisgruppe III-nitriderne bliver mere pålidelig og opskaleres, Wines og Ataca forventer, at videnskabsmænd arbejder på at konstruere materialerne til specifikke anvendelser ved at bruge deres resultater som en guide.

Tilbage til det grundlæggende...med supercomputere

Wines og Ataca modellerede materialernes egenskaber ved hjælp af supercomputere. I stedet for at bruge eksperimentelle data som input til deres modeller, "Vi bruger det grundlæggende i kvantemekanikken til at skabe disse egenskaber. Så det gode er, at vi ikke har nogen eksperimentelle skævheder, " siger Ataca. "Vi arbejder på ting, der ikke har nogen eksperimentelt bevis før. Så dette er en pålidelig tilgang."

For at få de mest nøjagtige resultater kræver det enorme mængder computerkraft og tager lang tid. At køre deres modeller med det højeste nøjagtighedsniveau kan tage flere dage.

"Det er lidt ligesom at fortælle en historie, " siger Wines. "Vi gennemgår det mest grundlæggende niveau for at screene materialerne, " hvilket kun tager omkring en time. "Og så går vi til de højeste niveauer af nøjagtighed, ved at bruge de mest kraftfulde computere, for at finde de mest nøjagtige parametre som muligt."

"Jeg synes, at den smukke del af disse undersøgelser er, at vi startede på det grundlæggende, og vi bogstaveligt talt gik op til det mest nøjagtige niveau inden for vores felt, " tilføjer Ataca. "Men vi kan altid bede om mere."

En ny grænse

De er fortsat med at bevæge sig fremad ind i ukendt videnskabeligt territorium. I et andet papir, udgivet inden for en uge efter den første ind ACS anvendte materialer og grænseflader , Theodosia Gougousi, professor i fysik; Jaron Kropp, Ph.D. '20, fysik; og Ataca demonstrerede en måde at integrere 2-D materialer i rigtige enheder.

2D-materialer skal ofte fastgøres til et elektronisk kredsløb i en enhed. Der kræves et mellemlag for at skabe den forbindelse - og teamet fandt et, der virker. "Vi har et molekyle, der kan gøre dette, der kan skabe forbindelse til materialet, for at bruge det til eksterne kredsløbsapplikationer, " siger Ataca.

Dette resultat er en stor ting for implementering af 2-D materialer. "Dette arbejde kombinerer fundamental eksperimentel forskning i de processer, der forekommer på overfladen af ​​2-D atomære krystaller med detaljeret beregningsmæssig evaluering af systemet, " siger Gougousi. "Det giver vejledning til enhedsfællesskabet, så de med succes kan integrere nye materialer i traditionelle enhedsarkitekturer."

Samarbejde på tværs af fag

De teoretiske analyser for dette arbejde skete i Atacas laboratorium, og eksperimenterne skete i Gougousis laboratorium. Kropp arbejdede i begge grupper.

"Projektet eksemplificerer den synergi, der kræves for videnskab og teknologi udvikling og fremskridt, " siger Gougousi. "Det er også et godt eksempel på de muligheder, som vores kandidatstuderende har for at arbejde med problemer af stor teknologisk interesse, og at udvikle et bredt vidensgrundlag og et unikt sæt tekniske færdigheder."

Kropp, hvem er første forfatter på det andet papir, er begejstret for at have haft denne forskningserfaring.

"2-D halvledere er spændende, fordi de har potentiale til anvendelse i ikke-traditionelle elektroniske enheder, som bærbar eller fleksibel elektronik, da de er så tynde, " siger han. "Jeg var heldig at have to fremragende rådgivere, fordi dette tillod mig at kombinere det eksperimentelle og teoretiske arbejde problemfrit. Jeg håber, at resultaterne af dette arbejde kan hjælpe andre forskere med at udvikle nye enheder baseret på 2-D materialer."