En ny tidsalder af 2,5D-materialer

Forskere udforsker nye måder til kunstigt at stable todimensionelle (2D) materialer, og introducerer såkaldte 2.5D-materialer med unikke fysiske egenskaber. Forskere i Japan gennemgik de seneste fremskridt og anvendelser af 2.5D-materialer i tidsskriftet Science and Technology of Advanced Materials .

"2.5D-konceptet symboliserer frihed fra den sammensætning, materialer, vinkler og rum, der typisk bruges i 2D-materialeforskning," forklarer nanomaterialeforsker og hovedforfatter Hiroki Ago fra Kyushu University i Japan.

2D-materialer, som grafen, består af et enkelt lag af atomer og bruges i applikationer som fleksible berøringspaneler, integrerede kredsløb og sensorer.

For nylig er der blevet introduceret nye metoder til at gøre det muligt kunstigt at stable 2D-materialer lodret, i planet eller i snoede vinkler uanset deres sammensætning og struktur. Dette er takket være evnen til at kontrollere van der Waals-kræfterne:svage elektriske interaktioner mellem atomer og molekyler, svarende til en mikrofiberkluds tiltrækning af støv. Det er nu også muligt at integrere 2D-materialer med andre dimensionelle materialer, såsom ioner, nanorør og bulkkrystaller.

En almindelig metode til fremstilling af 2.5D-materialer er kemisk dampaflejring (CVD), som afsætter et lag, et atom eller et molekyle ad gangen, på en fast overflade. Almindeligt anvendte byggesten til 2.5D-materialer omfatter grafen, hexagonal bornitrid (hBN) (en forbindelse, der bruges i kosmetik og luftfart) og overgangsmetal-dichalcogenider (TMDC'er) (en nanoark-halvleder).

Ved hjælp af CVD-metoden syntetiserede forskere selektivt et dobbeltlag af grafen, den enkleste form af et 2.5D-materiale, ved hjælp af en kobber-nikkelfolie med relativt høj nikkelkoncentration som katalysator. Nikkel gør kulstof meget opløseligt, hvilket giver forskerne mere kontrol over antallet af grafenlag. Når et elektrisk felt blev påført lodret hen over dobbeltlaget af grafen, åbnede det et båndgab, hvilket betyder, at dets ledningsevne kan tændes og slukkes. Dette er et fænomen, der ikke observeres i monolagsgrafen, fordi det ikke har noget båndgab og forbliver tændt hele tiden. Ved at vippe stablevinklen en grad fandt forskerne ud af, at materialet blev superledende.

Tilsvarende fandt en anden gruppe i Storbritannien og USA, at et lag af grafen og hBN resulterer i kvante-Hall-effekten, et ledningsfænomen, der involverer et magnetfelt, der frembringer en potentialforskel. Andre viste, at stabling af TMDC'er fanger excitoner (elektroner parret med deres tilhørende huller i en bundet tilstand) i de overlappende gittermønstre. Dette kan føre til applikationer i informationslagringsenheder. Nye robotsamleteknikker har også gjort det muligt at bygge mere komplekse vertikale strukturer, herunder en stablet heterostruktur bestående af 29 alternerende lag af grafen og hBN, for eksempel.

Anden forskning har brugt de nanorum, der dannes mellem lagene af et 2.5D-materiale, til at indsætte molekyler og ioner for at forbedre værtsmaterialets elektriske, magnetiske og optiske egenskaber.

Hidtil har forskere for eksempel fundet ud af, at grafen stabiliserer jernchlorid, når det indsættes mellem dets stablede lag, mens indsættelse af lithiumioner fører til en hurtigere diffusionshastighed (hvor hurtigt molekyler spredes i et område) end grafit, en elektrisk leder. bruges i batterier. Dette indebærer, at materialet kan bruges i højtydende genopladelige batterier.

Derudover fandt forskere ud af, at indsættelse af aluminiumchloridmolekyler mellem to grafenplader fører til dannelsen af ​​nye krystallinske strukturer, der er helt forskellige fra bulk-aluminiumchloridkrystallen. Mere forskning er nødvendig for at forstå, hvorfor dette sker, og hvilke applikationer det kan have.

"Der er mange muligheder for at udforske med dette nye 2.5D-koncept," siger Ago.

Fremtidige anvendelser af 2.5D-materialer omfatter solceller, batterier, fleksible enheder, kvanteenheder og enheder med meget lavt energiforbrug.

De næste trin bør inkorporere maskinlæring, deep learning og materialeinformatik for yderligere at fremme design og syntese af 2.5D-materialer. + Udforsk yderligere

Nyhedshistorie:Ny undersøgelse afslører uventet blødhed af dobbeltlagsgrafen