Forskere udvikler nyt system til at optage 2D-krystalsyntese i realtid

Materialeforskere ved Rice University kaster lys over de indviklede vækstprocesser af 2D-krystaller og baner vejen for kontrolleret syntese af disse materialer med hidtil uset præcision.

Todimensionelle materialer såsom grafen og molybdændisulfid (MoS₂ ) udviser unikke egenskaber, der giver et enormt løfte til applikationer inden for elektronik, sensorer, energilagring, biomedicin og mere. Deres komplekse vækstmekanismer – der eksisterer inkonsekvente sammenhænge mellem, hvordan vækstbetingelserne påvirker krystallernes former – har udgjort en væsentlig udfordring for forskere.

Et forskerhold ved Rice's George R. Brown School of Engineering tacklede denne udfordring ved at udvikle et specialbygget miniaturiseret kemisk dampaflejring (CVD) system, der er i stand til at observere og registrere væksten af ​​2D MoS₂ krystaller i realtid. Værket er publiceret online i tidsskriftet Nano Letters .

Gennem brugen af ​​avanceret billedbehandling og maskinlæringsalgoritmer var forskerne i stand til at udtrække værdifuld indsigt fra realtidsoptagelserne, herunder evnen til at forudsige de nødvendige betingelser for at vokse meget stort, enkeltlags MoS_{2 krystaller.}

Studiets medforfatter Jun Lou, professor og associeret formand for Institut for Materialevidenskab og Nanoteknik ved Rice, sagde, at denne tværfaglige tilgang repræsenterer et væsentligt skridt fremad inden for skalerbar syntese af 2D-materialer.

"Ved at kombinere eksperimentelle observationer i realtid med banebrydende maskinlæringsteknikker har vi demonstreret potentialet til at forudsige og kontrollere væksten af ​​2D-krystaller med fremragende nøjagtighed," sagde Lou.

Forskerholdets resultater har vidtrækkende konsekvenser for fremtiden for 2D-materialer. Drevet af deres succes med MoS₂ , mener forskerne, at deres tilgang kan udvides til andre 2D-materialer og heterostrukturer, hvilket tilbyder en kraftfuld platform til at designe og konstruere næste generations 2D-materialer med skræddersyede egenskaber.

"For eksempel, i elektronik, at være i stand til robust at syntetisere 2D-krystaller som MoS₂ i skala kunne føre til hurtigere og mere effektive enheder," sagde Lou. "I sensorer kan det føre til mere følsomme og selektive enheder."

"Denne forskning er et vigtigt skridt i retning af at realisere det fulde potentiale af 2D-materialer og baner vejen for udviklingen af ​​innovative teknologier, der kan revolutionere en bred vifte af industrier," siger Ming Tang, lektor i materialevidenskab og nanoteknik og studiesamarbejde. forfatter.

Jing Zhang, Tianshu Zhai, Faizal Arifurrahman, Yuguo Wang, Andrew Hitt, Zelai He, Qing Ai, Yifeng Liu, Chen-Yang Lin og Yifan Zhu slutter sig til Lou og Tang i undersøgelsen fra Rice Department of Materials Science og Nanoengineering.

Flere oplysninger: Jing Zhang et al., Toward Controlled Synthesis of 2D Crystals by CVD:Learning from the Real-Time Crystal Morphology Evolutions, Nano Letters (2024). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c04016

Leveret af Rice University