Janus materiaalin mysteeri ratkaistu

Tohokun yliopiston tutkijat ovat paljastaneet kaksiulotteisten (2D) Janus-puolijohteiden synteesin taustalla olevan pitkäaikaisen mysteerin, mikä avaa tien tulevaisuuden elektroniikassa ja puhtaissa energiateknologioissa käytettävien materiaalien tarkemmalle valmistukselle.

Janus 2D-materiaalit on nimetty kaksikasvoisen roomalaisen jumalan mukaan, koska niiden ylä- ja alapinta koostuvat eri elementeistä. Tämä epäsymmetria luo voimakkaan sisäisen sähkökentän, mikä tekee niistä houkuttelevia sovelluksissa, kuten fotodetektoreissa, aurinkoenergian muuntamisessa ja vedyn tuotannossa.

Potentiaalistaan huolimatta Janus 2D-levyjen tarkka valmistus on ollut edelleen vaikeaa. Vaikka tutkijat ovat kyenneet luomaan näitä materiaaleja altistamalla perinteisiä 2D-puolijohteita plasmalle, taustalla oleva fysiikka on ollut mysteeri.

Janus-2D-materiaalit syntetisoidaan tyypillisesti altistamalla tavanomainen 2D-puolijohde plasmalle, joka korvaa valikoivasti kalkogeeniatomien pintakerroksen toisilla atomeilla ja jättää loput kiteestä ehjäksi. Silti tutkijat eivät ole pitkään ymmärtäneet tämän prosessin taustalla olevaa fysiikkaa, mikä tekee niiden valmistamisesta tarkkaa ja vaikeaa.

"Atomin korvaaminen vaatii yleensä valtavasti energiaa, mutta tämä selektiivisesti huoneenlämmössä etenevä reaktio oli arvoitus, joka uhmasi perinteistä käsitystä", sanoi Toshiaki Kato, professori Tohokun yliopiston Advanced Institute for Materials Researchissa (WPI-AIMR).

Kato ja hänen kollegansa käyttivät uutta in situ -optista-sähköistä mittausjärjestelmää plasmakäsittelyn aikana tapahtuvien rakenteellisten ja sähköisten muutosten seuraamiseen. He havaitsivat, että plasmasta peräisin olevat elektronit kerääntyvät 2D-materiaalin ja sen substraatin rajapintaan. Nämä ylimääräiset elektronit heikentävät kemiallisia sidoksia ja alentavat atomien korvaamiseen tarvittavaa energiaa, mikä mahdollistaa reaktion tehokkaan etenemisen huoneenlämmössä.

Tiimi osoitti myös, että elektronien kertymisen lisääminen ultraviolettivalolla kiihdytti reaktiota yli kaksinkertaisesti. Tulokset validoitiin edelleen ensimmäisten periaatteiden laskelmilla, mikä johti "elektronien kertymismallin" kehittämiseen.

Löytö muuttaa Janus-materiaalien synteesin kokeilu- ja erehdysprosessista ennustettavaksi, suunnitteluun perustuvaksi lähestymistavaksi. "Kontrolloimalla kertyneen varauksen tilaa voimme nyt suunnitella synteesiprosesseja ennennäkemättömällä tarkkuudella", Kato lisäsi.

Koska menetelmä ei vaadi korkeita lämpötiloja, sitä voitaisiin soveltaa joustaviin muovialustoihin, mikä tukisi puettavan elektroniikan, tehokkaiden aurinkokennojen ja edistyneiden katalyyttien kehittämistä vety- ja polttokennoteknologioille.

Aiheesta aiemmin:

Dipolipohjainen varausloukku haihtumattomia muistipiirejä varten

Valo voi muokata atominohuita puolijohteita

Grafeeninauhat ja kiraalisuus kehittämään kvanttiteknologiaa