Eenvoudig grote, schone 2D-materialen produceren: Just ‘KISS’

Sinds de ontdekking van de tweedimensionale vorm van grafiet (grafeen genaamd) bijna twintig jaar geleden, is de belangstelling voor 2D-materialen en hun bijzondere fysische eigenschappen enorm toegenomen. Het is bekend dat grafeen werd geproduceerd door bulkgrafiet te exfoliëren met plakband. Hoewel het goed genoeg was voor een Nobelprijs, heeft deze methode zijn nadelen.

Een internationaal team van oppervlaktewetenschappers heeft nu een eenvoudige methode ontwikkeld om grote en zeer schone 2D-monsters te maken van een reeks materialen met behulp van drie verschillende substraten. Hun methode, kinetische in situ enkellaagse synthese (KISS), wordt beschreven in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap op 1 juni.

Tweedimensionale materialen hebben fysieke eigenschappen die niet worden gedeeld door bulkmateriaal. De opsluiting van ladingsdragers is hier een van de redenen voor. Er zijn twee manieren om deze 2D-materialen te produceren: een groter kristal exfoliëren of een 2D-laag laten groeien. Afschilfering betekent het afpellen van lagen van een groter kristal totdat er slechts één laag overblijft.

“Dit proces is tijdrovend en vereist specifieke vaardigheden en apparatuur”, zegt Antonija Grubišić-Čabo, een oppervlaktewetenschapper aan de Universiteit van Groningen (Nederland) en eerste auteur van de Geavanceerde wetenschap papier. “Bovendien resulteert het vaak in hele kleine schilfers, terwijl de gebruikte plakband polymeren op hun oppervlak kan achterlaten.”

Het kweken van 2D-films is een andere benadering. Dit maakt de productie van grote monsters onder gecontroleerde omstandigheden mogelijk. “Het kost echter vaak veel tijd om uit te zoeken hoe dergelijke 2D-materialen kunnen groeien. En het proces resulteert niet altijd in een perfecte laag”, zegt Grubišić-Čabo. Samen met laatste auteur Maciej Dendzik verzamelde ze een “dreamteam” van collega’s, van wie velen eerder hadden samengewerkt aan de Universiteit van Aarhus (Denemarken) als Ph.D. studenten, om een ​​eenvoudige techniek te ontwikkelen voor de productie van 2D-materialen.

“We wisten van enkele experimenten waarbij goudfilms werden gebruikt om bulkmateriaal te exfoliëren. Maar deze werden voornamelijk in lucht uitgevoerd, wat betekent dat deze techniek niet erg geschikt is voor luchtgevoelige materialen, of voor oppervlaktewetenschappelijk onderzoek,” Grubišić-Čabo notities.

Het team wilde een techniek die de productie van luchtgevoelige 2D-materialen op een reeks substraten mogelijk zou maken. Bij hun eerste poging gebruikten ze een gouden kristal in een hoogvacuümkamer. “We sloegen het kristal in feite op bulkmateriaal en ontdekten dat er een mooie 2D-laag aan het goud kleefde”, zegt Grubišić-Čabo. Waarom dit gebeurt is nog niet duidelijk, maar het team vermoedt dat de binding met het goud sterker is dan de Van der Waalskracht die de lagen in het bulkkristal bij elkaar houdt.

Ze hebben voortgebouwd op dit eerste experiment door een veer toe te voegen aan het podium met het bulkmateriaal dat als schokdemper fungeert en zo de impact van het goudkristal beter kan beheersen. Bovendien toonde het team aan dat zowel zilver als het halfgeleidergermanium kunnen worden gebruikt als substraat om 2D-materialen af ​​te pellen.

“Goudkristallen zijn een standaardkenmerk in laboratoria voor oppervlaktewetenschap, waar ze bijvoorbeeld worden gebruikt bij het kalibreren van instrumenten. Wetenschappers houden er niet van om deze kristallen te beschadigen, maar dat gebeurde niet in deze experimenten”, zegt Grubišić-Čabo . “En sindsdien hebben we het protocol gewijzigd om monokristallijne gouden dunne films te gebruiken. Dit heeft als bijkomend voordeel dat we het goud kunnen oplossen, zodat we het 2D-monster kunnen isoleren, zolang het maar stabiel is in lucht of vloeistof.”

Deze geïsoleerde voorbeelden kunnen worden gebruikt voor de volgende fase: het bouwen van apparaten uit de 2D-materialen die met de KISS-techniek zullen worden geproduceerd. “Dit is nog niet mogelijk, maar we werken eraan”, zegt Grubišić-Čabo. “Wat we dus wel hebben, is een techniek om op een heel eenvoudige manier zeer schone, grote 2D-samples te produceren, waardoor we luchtgevoelige 2D-materialen kunnen maken. Bovendien maakt onze techniek gebruik van standaardapparatuur die in vrijwel elke oppervlaktewetenschap aanwezig is. laboratorium.”