Forskere blander atomlag som spillekort for at lave nye kvantematerialer

Materialeforskere kan nu blande lagdelte forbindelser sammen, meget som at kombinere to forskellige spil kort. Teknikken, for nylig opdaget af et team af forskere ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory, fører til udvikling af nye materialer med usædvanlige elektrontransportegenskaber, der har potentielle anvendelser i næste generations kvanteteknologier.

Den opdagede teknik har vist en anden uventet og lovende anvendelse i nyt materialedesign. "Omrokering"-tilgangen kan generere termisk stabile tredimensionelle (3D) heterostrukturer fra lagdelte overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC'er). Disse er van der Waals materialer sammensat af metal nanolag, der er klemt mellem to andre lag af kalkogener - svovl, selen, eller tellur. Svarende til grafit, disse forbindelser kan eksfolieres til 2D-lag, som viser unikke elektrontransportegenskaber og kvantefænomener.

"TMDC'er er meget spændende for forskere som en mulighed for anvendelser inden for vedvarende energi, katalyse og optoelektronik, for kun at nævne nogle få, " sagde projektleder Viktor Balema, en seniorforsker i afdelingerne for materialevidenskab og teknik ved Ames Laboratory. "Vores mål i forskningen har været udviklingen af ​​sådanne gensamlingsmetoder for disse lagdelte materialer, som ikke kun er effektive, men også skalerbar og omkostningseffektiv i produktionen."

Forskere ved Ames Laboratory har haft succes med at overvinde en af ​​de store udfordringer ved at sammensætte disse lagdelte materialer - vanskeligheden ved at sætte sammen atomisk uens, uforholdsmæssigt, materialer - gennem brug af mekanokemi, der er lettet af kuglefræsning.

"Nu, vi har demonstreret, at vi mekanisk kan designe nye lagdelte heterostrukturer, kontrollere deres sammensætning og justere deres egenskaber, " sagde Ihor Hlova, en videnskabsmand i afdelingerne for materialevidenskab og teknik ved Ames Laboratory. "Dette åbner en vej til en række forskellige kombinationer - mulighederne er dybest set ubegrænsede."

Indtil nu, denne tilgang har vist sig at virke på flere meget forskellige grupper af forbindelser og fortsætter med at overraske forskerne med nye opdagelser. Materialerne fremstillet ved hjælp af teamets "lagomskiftning"-teknik har allerede vist en bred vifte af elektrontransportegenskaber lige fra halvledningsevne til metallisk ledningsevne, afhængig af de involverede byggesten.

Forskningen er yderligere diskuteret i papiret "Incommensurate transition-metal dichalcogenides via mekanokemisk omrokering af binære precursorer, " offentliggjort i Fremskridt i nanoskala .