Lab-peers inde i 2D-krystalsyntese

Videnskabelige undersøgelser, der beskriver de mest basale processer, har ofte den største effekt i det lange løb. Et nyt værk af Rice University-ingeniører kunne være et sådant, og det er en gas, gas, gas til nanomaterialer.

Rismateriale-teoretiker Boris Yakobson, kandidatstuderende Jincheng Lei og alumnus Yu Xie fra Rice's Brown School of Engineering har afsløret, hvordan et populært 2D-materiale, molybdændisulfid (MoS ₂ ), opstår under kemisk dampaflejring (CVD).

At vide, hvordan processen fungerer, vil give forskere og ingeniører en måde at optimere bulkproduktionen af ​​MoS ₂ og andre værdifulde materialer klassificeret som overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er), halvledende krystaller, der er gode bud på at finde et hjem i næste generations elektronik.

Deres undersøgelse i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano fokuserer på MoS ₂ 's "forhistorie, " specifikt hvad der sker i en CVD-ovn, når alle de faste ingredienser er på plads. CVD, ofte forbundet med grafen og kulstof nanorør, er blevet udnyttet til at fremstille en række 2D-materialer ved at levere faste prækursorer og katalysatorer, der sublimerer til gas og reagerer. Kemien dikterer, hvilke molekyler der falder ud af gassen og sætter sig på et substrat, som kobber eller silikone, og samles til en 2-D krystal.

Problemet har været, at når først ovnen skruer op, det er umuligt at se eller måle den komplicerede kæde af reaktioner i den kemiske gryderet i realtid.

"Hundredevis af laboratorier tilbereder disse TMD'er, helt uvidende om de indviklede transformationer, der sker i den mørke ovn, " sagde Yakobson, Karl F. Hasselmann professor i materialevidenskab og nanoteknik og professor i kemi. "Her, vi bruger kvantekemiske simuleringer og analyser til at afsløre, hvad der er der, i mørket, der fører til syntese."

Yakobsons teorier får ofte eksperimentel til at få sine forudsigelser til at gå i opfyldelse. (For eksempel, bor buckyballs.) Denne gang, rislaboratoriet bestemte vejen for molybdænoxid (MoO ₃ ) og svovlpulver tager for at afsætte et atomisk tyndt gitter på en overflade.

Det korte svar er, at det tager tre trin. Først, de faste stoffer sublimeres gennem opvarmning for at ændre dem fra fast til gas, inklusive hvad Yakobson kaldte et "smukt" ringmolekyle, trimolybdæn nonaoxid (Mo ₃ O ₉ ). Sekund, de molybdænholdige gasser reagerer med svovlatomer under høj varme, op til 4, 040 grader Fahrenheit. Tredje, molybdæn- og svovlmolekyler falder til overfladen, hvor de krystalliserer ind i det jack-lignende gitter, der er karakteristisk for TMD'er.

Det, der sker i det midterste trin, var af største interesse for forskerne. Laboratoriets simuleringer viste, at en trio af hovedgasfasereaktanter er de primære mistænkte for at lave MoS ₂ :Svovl, den ringagtige Mo ₃ O ₉ molekyler, der dannes i svovls tilstedeværelse og den efterfølgende hybrid af MoS ₆ der danner krystallen, frigivelse af overskydende svovlatomer i processen.

Lei sagde, at simuleringerne af molekylær dynamik viste de aktiveringsbarrierer, der skal overvindes for at flytte processen videre, normalt i picosekunder.

"I vores simulering af molekylær dynamik, vi finder, at denne ring åbnes af dens interaktion med svovl, som angriber ilt forbundet med molybdænatomerne, sagde han. Ringen bliver en kæde, og yderligere interaktioner med svovlmolekylerne adskiller denne kæde i molybdænsulfidmonomerer. Den vigtigste del er kædebrud, som overvinder den højeste energibarriere."

Denne erkendelse kunne hjælpe laboratorier med at strømline processen, sagde Lei. "Hvis vi kan finde forløbermolekyler med kun et molybdænatom, vi behøver ikke at overvinde den høje barriere for at bryde kæden, " han sagde.

Yakobson sagde, at undersøgelsen kunne gælde for andre TMD'er.

"Opdagelserne rejser ofte empirisk nanoteknologi til at blive en grundlæggende videnskabsstyret bestræbelse, hvor processer kan forudsiges og optimeres, " han sagde, bemærker, at mens kemien har været almindelig kendt siden opdagelsen af ​​TMD fullerener i de tidlige 90'ere, forståelse af detaljerne vil fremme udviklingen af ​​2-D syntese.

"Først nu kan vi 'sekventere' den involverede trin-for-trin kemi, " sagde Yakobson. "Det vil give os mulighed for at forbedre kvaliteten af ​​2-D-materiale, og se også hvilke gasbiprodukter der kan være nyttige og fanget på vejen, åbne muligheder for kemiteknik."