Modellering af 2D-materialers opførsel under tryk

Forskere fra Skoltech Center for Energividenskab og Teknologi (CEST) har udviklet en metode til modellering af 2D-materialers adfærd under tryk. Forskningen vil hjælpe med at skabe tryksensorer baseret på silicen eller andre 2D-materialer. Avisen blev udgivet i ACS Nano tidsskrift.

Silicen, som betragtes som siliciumanalogen af ​​grafen, er en todimensionel allotrop af silicium. I sin normale tilstand, en bulk silicium er en halvleder med en diamant krystal type struktur. Da det tynder ned til et eller flere lag, dens egenskaber ændrer sig dramatisk. Imidlertid, det har endnu ikke været muligt at studere ændringen i 2D-materialers elektroniske egenskaber ved højt tryk.

Forskere fra Rusland, Italien, De Forenede Stater, og Belgien har udviklet en teoretisk forskningsmetode baseret på kvantekemi til at studere de elektroniske egenskaber af 2D-materialer under tryk med silicen som eksempel. I modsætning til kulstof, som er stabil i både 3D og 2D tilstande, silicen er metastabilt og let at interagere med miljøet.

"Silicon er en halvleder i sin bulk-tilstand og et metal i 2D-tilstand. Egenskaberne af monolag og flerlags silicen studeres grundigt teoretisk. Silicen er korrugeret snarere end fladt på grund af interaktionerne mellem de tilstødende siliciumatomer. En stigning i trykket bør flad silicen og ændre dets egenskaber, men denne effekt kan endnu ikke undersøges eksperimentelt, " forklarer Skoltech-forsker Christian Tantardini.

I de fleste tilfælde, eksperimentelle værktøjer, der bruges til at påføre tryk på materialet langs aksen vinkelret på dets plan, producerer samtidig kompression i 2D-materialets in-plan retninger. Dermed, de resulterende målinger ville næppe være nøjagtige, så lige nu ser modellering ud til at være den eneste plausible tilgang.

"I vores tilfælde, en ny teoretisk tilgang var den eneste løsning. Da tryk kun påføres i én retning, vi simulerer komprimeringen af ​​vores materiale og forsøger at finde ud af, hvad der er årsagen til ændringerne i den elektroniske struktur, arrangement af siliciumatomer og deres hybridisering under forskellige tryk, og hvorfor lagene flader, " kommenterer Skoltech Senior Research Scientist Alexander Kvashnin.

Nøjagtig forudsigelse af opførsel af silicen eller andre 2D-materialer under tryk ville gøre silicen til en lovende kandidat til tryksensorer. Når den placeres inde i sensoren, silicen kunne hjælpe med at bestemme tryk baseret på materialets reaktion på kompression. Denne type sensorer kunne bruges, for eksempel, i borerigge med et højt krav til trykregulering for at øge borekraften uden at beskadige udstyret.

"Vi brugte silicen i vores modelleringsstudie til at teste metoden, som også kunne fungere for andre 2D-materialer, herunder mere stabile, der allerede er fremstillet og brugt flittigt, ved nul tryk" siger Xavier Gonze, en gæsteprofessor ved Skoltech og en professor ved Université catholique de Louvain (UCLouvain) i Belgien.