Het in kaart brengen van kristalvormen kan 2D-materialen versnellen

Materiaalwetenschappers van Rice University en de University of Pennsylvania roepen op tot een collectieve, wereldwijde inspanning om de massaproductie van 2D-materialen zoals grafeen en molybdeendisulfide te versnellen.

In een perspectiefartikel online gepubliceerd in Materialen vandaag, de hoofdredacteur van het tijdschrift Jun Lou en collega’s pleiten voor een gerichte, collectieve inspanning om de onderzoeksuitdagingen aan te pakken die de weg kunnen vrijmaken voor grootschalige massaproductie van 2D-materialen.

Lou en collega Rice materiaalwetenschappers Ming Tang, Jing Zhang en Fan Wang schreven zich bij Penn’s Vivek Shenoy bij het beschrijven van de potentiële transformatie in 2D-materiaaltechnologie die zou kunnen voortvloeien uit een systematische, gemeenschapsbreed streven om de vormen van de 2D-kristallen in kaart te brengen wordt wereldwijd in laboratoria gekweekt via een proces dat bekend staat als chemische dampafzetting (CVD).

“Net als sneeuwvlokken in de natuur, vertonen 2D-kristallen een rijke verscheidenheid aan morfologieën onder verschillende groeiomstandigheden”, schreven ze.

Het in kaart brengen van deze unieke kristalpatronen en het samenstellen van de kaarten in een wereldwijde database, naast de recepten voor het maken van elk patroon, zou een schat aan informatie kunnen ontgrendelen “voor het begrijpen, diagnosticeren en besturen van het CVD-proces en de omgeving voor 2D-materiaalgroei”, aldus de onderzoekers. schreef.

CVD is een veelgebruikt proces voor het maken van dunne films, inclusief commercieel belangrijke materialen in de halfgeleiderindustrie. Bij een typische CVD-reactie wordt een plat vel materiaal dat een substraat wordt genoemd, in een reactiekamer geplaatst en worden gassen zo door de kamer geleid dat ze reageren en een vaste film vormen bovenop het substraat.

Een van de doelen van het veld is het ontwikkelen van computersoftware die nauwkeurig de eigenschappen van een dunne film kan voorspellen die het gevolg zullen zijn van het mengen van specifieke reactiegassen onder specifieke omstandigheden. Het maken van dergelijke modellen wordt gecompliceerd door zowel een onvolledig begrip van de fysische en chemische processen die plaatsvinden tijdens CVD als door het bestaan ​​van tientallen CVD-reactorformaten.

Het catalogiseren van de vorm van kristallen die zijn geproduceerd door CVD-experimenten zou materiaalwetenschappers belangrijke informatie over hun synthese kunnen geven, op dezelfde manier als mineralogisten waardevolle aanwijzingen over de geschiedenis van de aarde ophalen op basis van onderzoek van natuurlijk voorkomende kristalstructuren, suggereerden Lou en collega’s.

‘Neem als voorbeeld de prachtige sneeuwvlokken’, schreven de auteurs. “Een voor velen misschien verrassend feit is dat sneeuwkristallen veel verschillende categorieën vormen kunnen vertonen, die afhankelijk zijn van de temperatuur en de oververzadiging van het water in de atmosfeer waarin ze worden gevormd.”

De Japanse wetenschapper Ukichiro Nakaya heeft door uitgebreide observaties van sneeuwvlokken in zowel de natuur als het laboratorium een ​​figuur ontwikkeld die bekend staat als het Nakaya-diagram om de informatie in sneeuwvlokken te helpen ontcijferen. Door de vormen in een sneeuwvlok te onderzoeken en te zien waar die vormen in Nakaya’s diagram liggen, kunnen wetenschappers de exacte atmosferische omstandigheden bepalen die de sneeuwvlok produceerden, die Nakaya poëtisch ‘een letter uit de lucht’ noemde.

Geïnspireerd door het werk van Nakaya creëerden Lou en collega’s een Nakaya-achtig diagram van 2D-kristalpatronen die zijn geproduceerd via CVD en demonstreerden hoe het en andere morfologiediagrammen konden worden gebruikt om aanwijzingen af ​​te leiden over procesvariabelen zoals gasdebieten en verwarmingstemperaturen die elk patroon produceerde.

Dankzij de vooruitgang in real-time beeldvorming en in geautomatiseerde systemen die grote datasets van kristalstructuren kunnen produceren, zeiden de auteurs dat er “een reëel potentieel is voor de ontwikkeling van morfologiediagrammen om een ​​gangbare praktijk te worden en als hoeksteen van kristalgroei te dienen”.