Undersøgelser giver svar om lovende 2D-materialer

Todimensionelle, lagdelte materialer lover godt til en række anvendelser, såsom alternative platforme til næste generation af logik- og hukommelsesenheder og fleksible energilagringsenheder. Der er stadig meget, imidlertid, der forbliver ukendt om dem.

To undersøgelser fra Judy Chas laboratorium, Carol og Douglas Melamed Associate Professor of Mechanical Engineering &Materials Science og medlem af Yale West Campus Energy Sciences Institute, besvare nogle afgørende spørgsmål om disse materialer. Begge undersøgelser blev finansieret med tilskud fra Army Research Office (ARO), en del af U.S. Army Combat Capabilities Development Command's Army Research Laboratory, og er udgivet i Avancerede elektroniske materialer.

I et papir, Cha og hendes team af forskere, i samarbejde med Yale kemiprofessorer Nilay Hazari og Hailiang Wang, eksperimentelt målt de præcise dopingeffekter af små molekyler på 2-D materialer - et første skridt mod at skræddersy molekyler til at modulere de elektriske egenskaber af 2-D materialer. I færd med at gøre det, de opnåede også en meget høj dopingkoncentration.

Doping – tilføjelse af urenheder såsom bor eller fosfor til silicium, for eksempel - er afgørende for at udvikle halvledere. Det giver mulighed for justering af bærertæthederne - antallet af elektroner og andre ladningsbærere - for at producere en funktionel enhed. Konventionelle dopingmetoder, imidlertid, har tendens til at være for energikrævende og potentielt skadelige til at fungere godt for 2D-materialer.

I stedet, fordi 2-D materialer er stort set alle overflader, forskere kan drysse små molekyler kendt som organiske elektrondonorer (OED) på overfladerne, og aktivere 2-D materialerne – dvs. skabe overfladefunktionalisering. Takket være organisk kemi, metoden er bemærkelsesværdig effektiv. Det udvider også valget for det anvendte materiale betydeligt. Til denne undersøgelse, Cha brugte molybdændisulfid (MoS ₂ ).

Imidlertid, for yderligere at optimere disse materialer, forskere har brug for en større grad af præcision. De skal vide, hvor mange elektroner hvert molekyle i OED'en donerer til 2D-materialet, og hvor mange molekyler der i alt er nødvendige.

"Ved at gøre det, vi kan gå fremad og designe ordentligt, at vide, hvordan man justerer molekylerne og derefter øger bærertæthederne, " sagde Cha.

For at foretage denne kalibrering, Cha og hendes team brugte atomkraftmikroskopi ved Imaging Core på Yale's West Campus. For deres materiale, de opnåede en dopingeffektivitet på omkring en elektron pr. molekyle, hvilket gjorde det muligt for dem at demonstrere det højeste dopingniveau nogensinde opnået i MoS2. Dette var kun muligt ved de præcise målinger, der blev udført.

"Nu hvor vi kender dopingkraften, vi er ikke længere i det mørke rum, hvor vi ikke ved, hvor vi er, sagde hun. Før, vi kunne dope, men kunne ikke vide, hvor effektiv den doping er. Nu har vi nogle målelektrondensiteter, som vi ønsker at opnå, og vi føler, at vi ved, hvordan vi kommer derhen."

I et andet papir, Chas team så på virkningerne af mekanisk belastning på bestilling af lithium i lithium-ion-batterier.

Nuværende kommercielle lithium-ion-batterier bruger grafit som anode. Når lithium indsættes i mellemrummene mellem grafenlagene, der udgør grafit, hullerne skal udvides for at give plads til lithiumatomerne.

"Så vi spurgte 'Hvad hvis du stoppede denne udvidelse?'" sagde Cha. "Vi fandt ud af, at lokal belastning påvirker rækkefølgen af ​​lithiumionerne. Lithiumionerne bliver effektivt bremset."

Når der er en belastningsenergi, lithium er ikke i stand til at bevæge sig så frit som før, og der kræves mere energi for at tvinge lithium til dens foretrukne konfiguration.

Ved at beregne de nøjagtige virkninger af belastningsenergien, Chas forskerhold var i stand til præcist at demonstrere, hvor meget lithium-atomerne bremser.

Undersøgelsen har bredere implikationer, især hvis feltet bevæger sig væk fra lithiumbatterier til fordel for dem, der er lavet af andre mere let tilgængelige materialer, såsom natrium eller magnesium, som også kan bruges til genopladelige batterier.

"Natrium og magnesium er meget større, så kløften skal udvides meget mere sammenlignet med lithium, så virkningerne af belastning vil være meget mere dramatiske, " sagde hun. Forsøgene i undersøgelsen giver en lignende forståelse af de virkninger, som mekanisk belastning kan have på disse andre materialer.

ARO-forskere sagde, at Chas undersøgelser vil være meget nyttige til at fremme deres eget arbejde.

"Resultaterne opnået i disse to undersøgelser relateret til nye todimensionelle materialer er af stor betydning for udvikling af fremtidige avancerede hærapplikationer inden for sansning og energilagring, " sagde Dr. Pani Varanasi, afdelingschef, ARO.