Uudenlaisia atomisesti ohuita 2D-materiaaleja

Kaaviokuva esittää askel-askeleelta, miten tyypillinen ic-2D materiaali muodostetaan.

National University of Singaporen (NUS) tutkijat ovat yhdessä Technical University of Denmarkin (DTU) tutkijoiden kanssa luoneet kokonaan uuden kirjaston atomisesti ohuista, kaksiulotteisista (2D) materiaaleista käyttämällä uutta ja tehokasta lähestymistapaa siirtymämetallidikalkogenidien koostumuksen suunnitteluun.

Atomisesti ohuet materiaalit tarjoavat alustan tutkia monenlaisia kiehtovia fysikaalisia ominaisuuksia ja voivat tarjota monia tulevaisuuden sovelluksia. Esimerkiksi ”siirtymämetalliset dikalkogenidien monokerrokset” ovat atomisesti ohuita puolijohteita, joilla on tarkoitus saada aikaan seuraavan sukupolven transistoreita, aurinkokennoja, ledejä ja paljon muuta.

Nämä MX2 –tyyppiset yksikerroksiset muodostuvat jaksollisen taulukon siirtymälohkon metalliatomista 'M' ja kalkogeeniatomista 'X' (esimerkiksi S, Se tai Te). Niiden koostumuksen hienosäätäminen uusien materiaalien valmistamiseksi muihin kuin standardiyhdisteiksi on kuitenkin yleensä haastavaa.

Tutkimusryhmä, jota johtivat NUS:n professorit Loh Kian Ping ja Stephen J. Pennycook, on syntetisoinut ja karakterisoinut ensimmäistä kertaa atomisten ohuiden materiaalien atlaksen, jotka perustuvat saman metalliatomin lisäämiseen kahden siirtymämetallidikalokogenidisen yksikerroksisen väliin.

Tätä lisäystä kutsutaan interkalaatioksi, joten tutkijat ovat nimenneet tämän uuden kirjaston 'ic-2D:ksi' kuvaamaan materiaaliluokkaa, jossa atomit "interkaloituvat" itseään kidekerrosten väliseen aukkoon.

”Jos liitämme kaksi kerrosta siirtymämetallidikalkogenidia hitusen erilleen toisistaan, voidaan nähdä, että kalkogeenien kohdissa on rakoja, joita lisäkerros metalliatomeja voi täydentää. Tämä on ic-2D-materiaalien taikuutta”, professori Pennycook selitti.

Tämä on uusi ajattelutapa, kun kyse on siirtymämetallidikalkogenideistä. Aikaisemmin teoreetikot yrittivät ennustaa uusia ominaisuuksia perustuen metalli- ja kalkogeeniatomien perinteisiin sidoskohtiin materiaalissa. Heidän teorioissaan ei kuitenkaan käsitelty tilannetta, kun sama metalliatomi istuu kahden kiteen välisessä raossa.

Siten tutkimusryhmä kehitti tavan syntetisoida uusia materiaaleja tarjoamalla olosuhteet, joissa metalliatomit ylittävät kalkogeenit. Tällä tavalla ryhmä on kokeellisesti löytänyt enemmän kuin kymmenen erityyppistä ic-2D-materiaalia, joista osa on ferromagneettisia.

Ryhmän suorittamat teoreettiset laskelmat ovat osoittaneet, että tutkijoiden kehittämä 'itseis interkalaation' menetelmä on sovellettavissa suureen luokkaan 2D-kerrosmateriaaleja. Tämä tarkoittaa, että on olemassa uusi kirjasto ic-2D-materiaaleista, jotka odottavat löytämistä.

”Tämä uusi menetelmä siirtymämetallidikalokogenidien laajan luokan koostumuksen suunnitteluun tarjoaa tehokkaan lähestymistavan kerrostettujen 2D-materiaalien muuttamiseksi ultraohuiksi, kovalenttisesti sitoutuneiksi ic-2D-kiteiksi, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia. Tämän tekniikan odotetaan olevan yhteensopiva useimpien materiaalien kasvatusmenetelmien kanssa”, toteaa professori Loh.

Aiheesta aiemmin: Kaksiulotteisten materiaalien hienosäätöä