Lab-collega’s in 2D-kristalsynthese

Wetenschappelijke studies die de meest basale processen beschrijven, hebben vaak de grootste impact op de lange termijn. Een nieuw werk van ingenieurs van Rice University zou er zo een kunnen zijn, en het is een gas, gas, gas voor nanomaterialen.

Rijstmateriaaltheoreticus Boris Yakobson, afgestudeerde student Jincheng Lei en alumnus Yu Xie van Rice’s Brown School of Engineering hebben onthuld hoe een populair 2D-materiaal, molybdeendisulfide (MoS₂), ontstaat tijdens chemische dampafzetting (CVD).

Weten hoe het proces werkt, geeft wetenschappers en ingenieurs een manier om de bulkproductie van MoS . te optimaliseren₂ en andere waardevolle materialen geclassificeerd als overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s), halfgeleidende kristallen die een goede kans zijn om een ​​thuis te vinden in de volgende generatie elektronica.

Hun studie in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano richt zich op MoS₂‘pre-geschiedenis’, in het bijzonder wat er gebeurt in een CVD-oven zodra alle vaste ingrediënten op hun plaats zijn. CVD, vaak geassocieerd met grafeen en koolstofnanobuizen, is gebruikt om een ​​verscheidenheid aan 2D-materialen te maken door vaste voorlopers en katalysatoren te leveren die sublimeren tot gas en reageren. De chemie bepaalt welke moleculen uit het gas vallen en neerslaan op een substraat, zoals koper of siliconen, en assembleren tot een 2D-kristal.

Het probleem was dat als de oven eenmaal op gang komt, het onmogelijk is om de gecompliceerde keten van reacties in de chemische stoofpot in realtime te zien of te meten.

“Honderden laboratoria koken deze TMD’s, zich totaal niet bewust van de ingewikkelde transformaties die plaatsvinden in de donkere oven”, zegt Yakobson, de Karl F. Hasselmann-hoogleraar Materials Science en NanoEngineering en een professor in de chemie. “Hier gebruiken we kwantumchemische simulaties en analyse om te onthullen wat er in het donker is dat tot synthese leidt.”

Yakobsons theorieën leiden er vaak toe dat experimentatoren zijn voorspellingen laten uitkomen. (Bijvoorbeeld boor buckyballs.) Deze keer bepaalde het Rice lab het pad molybdeenoxide (MoO₃) en zwavelpoeder nemen om een ​​atomair dun rooster op een oppervlak af te zetten.

Het korte antwoord is dat er drie stappen nodig zijn. Eerst worden de vaste stoffen gesublimeerd door verhitting om ze van vast naar gas te veranderen, inclusief wat Yakobson een “prachtig” ringmolecuul noemde, trimolybdeen nonaoxide (Mo₃O₉). Ten tweede reageren de molybdeenbevattende gassen met zwavelatomen onder hoge hitte, tot 4040 graden Fahrenheit. Ten derde vallen molybdeen- en zwavelmoleculen naar de oppervlakte, waar ze kristalliseren in het jacks-achtige rooster dat kenmerkend is voor TMD’s.

Wat er in de middelste stap gebeurt, was voor de onderzoekers het meest interessant. De simulaties van het laboratorium toonden aan dat een drietal hoofdreactanten in de gasfase de hoofdverdachten zijn bij het maken van MoS₂: Zwavel, de ringachtige Mo₃O₉ moleculen die zich vormen in aanwezigheid van zwavel en de daaropvolgende hybride van MoS₆ dat het kristal vormt en daarbij overtollige zwavelatomen vrijgeeft.

Lei zei dat de moleculaire dynamica-simulaties de activeringsbarrières lieten zien die moeten worden overwonnen om het proces voort te zetten, meestal in picoseconden.

“In onze moleculaire dynamica-simulatie vinden we dat deze ring wordt geopend door zijn interactie met zwavel, dat zuurstof aanvalt die is verbonden met de molybdeenatomen,” zei hij. “De ring wordt een ketting en verdere interacties met de zwavelmoleculen scheiden deze keten in molybdeensulfidemonomeren. Het belangrijkste onderdeel is het breken van de ketting, die de hoogste energiebarrière overwint.”

Dat besef kan laboratoria helpen het proces te stroomlijnen, zei Lei. “Als we precursormoleculen kunnen vinden met slechts één molybdeenatoom, hoeven we de hoge barrière van het doorbreken van de keten niet te overwinnen”, zei hij.

Yakobson zei dat de studie van toepassing zou kunnen zijn op andere TMD’s.

“De bevindingen leiden vaak tot empirische nano-engineering om een ​​fundamentele, door wetenschap geleide onderneming te worden, waarbij processen kunnen worden voorspeld en geoptimaliseerd”, zei hij, erop wijzend dat hoewel de chemie algemeen bekend is sinds de ontdekking van TMD-fullerenen in de vroege jaren ’90, het begrip de details zullen de ontwikkeling van 2D-synthese bevorderen.

“Pas nu kunnen we de stapsgewijze chemie ‘volgen’,” zei Yakobson. “Dat stelt ons in staat om de kwaliteit van 2D-materiaal te verbeteren en ook te zien welke bijproducten van gas nuttig kunnen zijn en onderweg kunnen worden opgevangen, wat kansen biedt voor chemische technologie.”