Schematische weergave van de epitaxiale groei van h-BN door chemische dampafzetting: een gasvormige voorloper (bijv. borazine, B3N3H6) wordt in contact gebracht met een (heet) katalysatoroppervlak (Ru), waardoor de chemische reacties zoals het breken van de borazineringen en dehydrogenering op gang worden gebracht, gevolgd door de assemblage van de epitaxiale deklaag. Credit: Horizonten op nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NH00353H
Quantumberekeningen uitgevoerd door onderzoekers van de Universiteit van Surrey hebben wetenschappers in staat gesteld om nieuwe “fasen” van tweedimensionaal (2D) materiaal te ontdekken die kunnen worden gebruikt om de volgende generatie brandstofcelapparaten te ontwikkelen.
De berekeningen hielpen het onderzoek van de Graz University of Technology naar de groei van een van de meest veelbelovende 2D-materialen, hexagonaal boornitride (h-BN), dat een honingraatkristalstructuur heeft die bijna identiek is aan die van het beroemdste 2D-materiaal, grafeen.
Dr. Anton Tamtögl, de projectleider van de Graz University of Technology, zegt dat “de nanoporeuze fasen die tijdens ons onderzoek zijn ontdekt niet van puur academisch belang zijn – ze bieden het potentieel voor toepassingen zoals sensormaterialen, nanoreactoren en membranen. Dit werk illustreert dat fundamentele natuurkunde en scheikunde routes bieden naar echt relevante toepassingen van nanotechnologie.”
Ultradunne 2D-materialen worden vaak gekweekt door een heet metalen oppervlak bloot te stellen aan een specifiek gas, wat ertoe leidt dat het gas op het metaal ontbindt en het gewenste 2D-materiaal vormt. Vanwege de hoge temperaturen is het moeilijk om de groei van 2D-materialen te volgen tijdens de verschillende tussenliggende stappen voordat het 2D-materiaal is voltooid.
De resultaten verkregen door de groep van Graz laten zien dat, voordat h-BN wordt gevormd, andere 2D-oppervlaktestructuren kunnen worden geïsoleerd.
Kwantummechanische berekeningen onder leiding van Dr. Marco Sacchi van Surrey hebben hun collega’s in staat gesteld te begrijpen dat deze geordende structuren worden gemaakt door gaten op regelmatige afstand (zogenaamde nanoporiën) van h-BN. Dit is de eerste keer dat deze open structuren zijn geïdentificeerd en hun rol tijdens de groei van h-BN is waargenomen.
Dr. Marco Sacchi van de Universiteit van Surrey zegt dat ze “bewezen hebben dat de combinatie van experimenten en kwantumchemische berekeningen nieuw en belangrijk inzicht kan geven in de groei van 2D-materialen.”
“We zijn al van plan om onze methode te gebruiken om de groei van andere 2D-materialen te bestuderen, en we werken samen met internationale medewerkers om manieren te vinden om de ontwikkeling van deze veelbelovende materialen te versnellen.”
Anthony Payne, co-auteur van de Universiteit van Surrey, zegt dat “deze nanoporiën anders zijn dan ooit tevoren en een nieuwe generatie nanomaterialen kunnen openen met opwindende mogelijkheden in nanotechnologie en katalyse.”
Adrian Ruckhofer van de Graz University of Technology zegt dat “het vinden van een nieuwe fase voor zo’n bekend en technologisch belangrijk 2D-materiaal is als het ontdekken van een compleet nieuwe vlindersoort in je eigen tuin.”
Het onderzoek is gepubliceerd door het tijdschrift Horizonten op nanoschaal.
Adrian Ruckhofer et al, Evolutie van geordende nanoporeuze fasen tijdens h-BN-groei: controle van de route van gasfase-precursor naar 2D-materiaal door in situ monitoring, Horizonten op nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NH00353H
Geleverd door de Universiteit van Surrey
