Ny totrinsmekanisme afsløret i todimensionel materialeformation

Typisk udviser kun et atomtykt 2D-materiale yderst ønskværdige egenskaber for avancerede teknologier, såsom fleksibilitet, superledning og mere. Fremstillet af omhyggelig overgang af individuelle komponenter fra gas eller damp til krystallinske faste stoffer, er sådanne materialer og mekanismerne, hvorved de bliver gennemsyret af sådanne egenskaber, stadig omgærdet af mystik.

Nu, gennem en ny overvågnings- og analysemetode, har forskere ledet af Toshiaki Kato ved Tohoku University afsløret en kritisk mekanisme i udviklingen af ​​2D monolag overgangsmetal dichalcogenid (TMD). De offentliggjorde deres tilgang og resultater den 15. november i Scientific Reports .

"TMD er blandt de mest kendte lagdelte materialer," sagde papirforfatter Toshiaki Kato, lektor ved Institut for Elektronikteknik ved Tohoku University, og bemærkede, at store enkeltlag af materialet er muliggjort ved tilsætning af salte. "Forbedring af kvaliteten af ​​TMD er nødvendig for at realisere fremtidige fleksible og gennemsigtige elektriske enheder, såsom sensor, solceller og lysgivere."

TMD er udviklet ved at fordampe et metaloxidpulver og tilsætte salte. Konventionelle metoder opretholder høje temperaturer, hvilket tvinger molekylerne i metaloxid-saltdampen til at omarrangere direkte til et krystallinsk fast stof. Denne omlejring af molekyler er kendt som nukleation, og den vokser ind i monolaget TMD. Men at sænke smelte- og kogepunkterne for metaloxidet forbedrer denne overgang ved at tillade de fordampede molekyler at overmætte deres miljø og producere en flydende fase, før de arrangeres i et fast stof.

"Overmætning af metaloxid i dampfasen fremmer dannelsen af ​​væskefase-prækursorer, kendt som precursor-pytten, som fremmer damp-væske-fast vækst i forhold til konventionel damp-faststof vækst," sagde Kato og bemærkede, at væksthastigheden af ​​damp -væske-fast TMD er mindst to størrelsesordener højere end for damp-fast TMD. "På trods af dette fremskridt er den kritiske dynamik i kernedannelsesfasen endnu ikke blevet belyst for salt-assisteret vækst; at opnå dette er afgørende for både grundlæggende og industrielle anvendelser."

For bedre at forstå kernedannelsen af ​​damp-væske-fast TMD etablerede forskerne et billeddannelsesovervågningssystem for, hvordan dampkemikalierne aflejres som et fast stof i TMD-syntese.

"I denne undersøgelse indså vi den direkte visualisering af faseovergangen fra flydende prækursorer til fast TMD ved at overvåge den kemiske dampaflejring og automatiseret billedanalyse," sagde Kato. "Gennem denne tilgang fandt vi en ny kernedannelsesmekanisme."

I damp-faststofvækst omarrangeres dampens molekyler direkte i det faste stof. Forskerne fandt ud af, at i damp-væske-fast vækst gennemgår molekylerne en to-trins kernedannelsesproces:Dampen omdannes til væskedråber, som dannes til stabile, men foranderlige klynger. Når temperaturen ændrer sig, danner molekyleklyngerne de krystallinske faste stoffer.

"En sådan detaljeret forståelse af TMD-kernedannelsesdynamikken kan være nyttig til at opnå præfekt strukturkontrol af TMD'er, hvilket ville være nyttigt til fremtidige industrielle applikationer," sagde Kato. "Vores opfundne metode til overvågning af kemisk dampaflejring og automatiseret billedanalyse kunne også anvendes på andre nanomaterialer for at forstå deres nukleations- og vækstmekanismer dybere."

Forskerne planlægger derefter at udnytte den nyligt afslørede nukleationsmekanisme til at syntetisere ultrahøj kvalitet TMD. + Udforsk yderligere

Orbital orden udløser nukleation-vækst adfærd af elektroner i et uorganisk fast stof