Undersøgelse udforsker mekaniske egenskaber af molybdændisulfid nanobånd med lænestolskanter

Egenskaberne ved nanobåndkanter er vigtige for deres anvendelse i elektroniske enheder, sensorer og katalysatorer. En gruppe videnskabsmænd fra Japan og Kina undersøgte den mekaniske respons af enkeltlags molybdændisulfid nanobånd med lænestolskanter ved hjælp af in situ transmissionselektronmikroskopi.

De viste, at nanobåndet Youngs modul varierede omvendt med dets bredde under bredden på 3nm, hvilket indikerer en højere bindingsstivhed for lænestolens kanter. Deres arbejde, offentliggjort i tidsskriftet Advanced Science , var medforfatter af lektor Kenta Hongo og professor Ryo Maezono fra JAIST og lektor Chunmeng Liu og lektor Jiaqi Zhang fra Zhengzhou University, Kina.

Sensorer er blevet allestedsnærværende i den moderne verden, med applikationer lige fra detektering af sprængstoffer, måling af fysiologiske spidser af glukose eller kortisol non-invasivt til estimering af drivhusgasniveauer i atmosfæren.

Den primære teknologi, der kræves til sensorer, er en mekanisk resonator. Traditionelt er kvartskrystaller blevet brugt til dette formål på grund af deres høje stivhed og lette tilgængelighed. Denne teknologi har dog for nylig givet plads til avancerede nanomaterialer. Et sådant lovende materiale er det enkeltvæggede molybdændisulfid (MoS₂ ) nanobånd.

Karakterisering af de fysiske og kemiske egenskaber af nanobåndkanter er afgørende for deres anvendelse i elektroniske enheder, sensorer og katalysatorer. Men den mekaniske reaktion fra MoS₂ nanobånd – der forventes at være afhængige af deres kantstruktur – er forblevet uudforsket, hvilket hindrer deres praktiske implementering i tynde resonatorer.

På denne baggrund undersøgte en gruppe videnskabsmænd fra Japan og Kina, ledet af professor Yoshifumi Oshima fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), de mekaniske egenskaber – nemlig Youngs modul – af enkeltlags MoS₂ nanobånd med lænestolskanter som funktion af deres bredde ved hjælp af en mikromekanisk målemetode.

Prof. Oshima siger:"Vi har udviklet verdens første mikromekaniske målemetode til at afklare forholdet mellem atomarrangementet af materialer i atomskala og deres mekaniske styrke ved at inkorporere en kvartsbaseret længdeforlængelsesresonator (LER) i en in situ transmissionselektron. mikroskopi (TEM) holder."

Da resonansfrekvensen af ​​en kvartsresonator ændrer sig, når den registrerer kontakt med et materiale, kan den tilsvarende fjederkonstant for materialet estimeres med høj præcision ved ændringen i denne resonansfrekvens. Desuden er det muligt at optage TEM-billeder i høj opløsning, da den nødvendige LER-vibrationsamplitude til målingen er så lille som 27 pm. Som følge heraf lykkedes det den nye metode udviklet af forskerne at overvinde manglerne ved konventionelle teknikker og opnå højpræcisionsmålinger.

Forskerne syntetiserede først en enkelt-lags MoS₂ nanobånd ved at pille det yderste lag af den foldede kant af en MoS₂ flerlag ved hjælp af en wolframspids. Enkeltlags nanobåndet blev understøttet mellem flerlaget og spidsen.

TEM-billedet af denne MoS₂ nanoribbon afslørede, at dens kant havde en lænestolsstruktur. "Bredden og længden af ​​nanobåndet blev også målt ud fra billedet, og den tilsvarende ækvivalente fjederkonstant blev bestemt ud fra frekvensforskydningen af ​​LER for at opnå Youngs modul for dette nanobånd," sagde lektor Chunmeng Liu.

Forskerne fandt ud af, at Young's modul af enkeltlags MoS₂ nanobånd med lænestolskanter var afhængig af deres bredde. Mens den forblev konstant omkring 166 GPa for bredere bånd, viste den et omvendt forhold til bredden for bånd under 3 nm i bredden, stigende fra 179 GPa til 215 GPa, da nanobåndets bredde faldt fra 2,4 nm til 1,1 nm. Forskerne tilskrev dette en højere bindingsstivhed for kanterne sammenlignet med den indvendige.

Densitets funktionsteori-beregninger udført af forskerne for at forklare deres observation afslørede, at Mo-atomerne bøjede sig ved lænestolens kant, hvilket resulterede i elektronoverførsel til S-atomerne på begge sider. Dette øgede igen den coulombiske tiltrækning mellem de to atomer, hvilket øgede kantstyrken.

Denne undersøgelse kaster vigtigt lys over de mekaniske egenskaber af MoS₂ nanobånd, som kunne lette designet af ultratynde mekaniske resonatorer i nanoskala.

"Nanosensorer baseret på sådanne resonatorer kan integreres i smartphones og ure, hvilket vil gøre folk i stand til at overvåge deres omgivelser samt kommunikere smags- og lugtesansen i form af numeriske værdier," afslutter foredragsholder Jiaqi Zhang.

Flere oplysninger: Chunmeng Liu et al., Stiffer Bonding of Armchair Edge in Single-Layer Molybdæn Disulfide Nanoribbons, Advanced Science (2023). DOI:10.1002/advs.202303477

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Japan Advanced Institute of Science and Technology