KISS-methode voor 2D-materiaalvoorbereiding: nieuwe mogelijkheden voor materiaalkunde ontsluiten

Het is bijna 20 jaar geleden sinds de oprichting van het veld van tweedimensionale (2D) materialen met de ontdekking van unieke eigenschappen van grafeen, een enkele, atomair dunne laag grafiet. Het belang van grafeen en zijn unieke eigenschappen werd al in 2010 erkend toen de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend aan A. Geim en K. Novoselov voor hun werk aan grafeen. Grafeen bestaat echter al een tijdje, hoewel onderzoekers zich gewoon niet realiseerden wat het was, of hoe speciaal het is (vaak werd het beschouwd als irritant vuil op mooie, schone oppervlakken van metalen REF). Sommige wetenschappers verwierpen zelfs het idee dat 2D-materialen in onze driedimensionale wereld zouden kunnen bestaan.

Tegenwoordig zijn de dingen anders. 2D-materialen zijn een van de meest opwindende en fascinerende studieonderwerpen voor onderzoekers uit vele disciplines, waaronder natuurkunde, scheikunde en techniek. 2D-materialen zijn niet alleen wetenschappelijk interessant, ze zijn ook uitermate interessant voor industriële en technologische toepassingen, zoals aanraakschermen En batterijen.

We worden ook erg goed in het ontdekken en voorbereiden van nieuwe 2D-materialen, en de lijst met bekende en beschikbare 2D-materialen breidt zich snel uit. De familie van 2D-materialen wordt erg groot en grafeen is niet meer de enige. In plaats daarvan heeft het nu veel 2D-verwanten met verschillende eigenschappen en enorm diverse toepassingen, voorspeld of al gerealiseerd.

Desalniettemin is er één ding niet veel veranderd sinds het begin van de jaren 2000, en dat is de manier waarop we grafeen en andere 2D-materialen maken. De eerste methode die werd gebruikt om grafeen te maken, met behulp van plakband, is nog steeds de meest populaire methode om 2D-materialen te maken, omdat het 2D-materialen van de hoogste kwaliteit oplevert. Deze conventionele methode heeft echter enkele nadelen: meestal zijn de resulterende 2D-schilfers erg klein en laat de tape lijm- en polymeerresten achter op het substraat waar het 2D-materiaal wordt gedeponeerd. Hoewel dit nadeel voor veel studies beheersbaar is, is het niet wenselijk in mijn vakgebied, oppervlaktewetenschap. Op dit gebied hebben we strikte reinheidseisen en de behoefte aan grotere 2D-materialen dan monsters die met plakband zijn geproduceerd.

Dat vraagt ​​om een ​​andere aanpak, bijvoorbeeld het direct laten groeien van materialen in ultrahoog vacuüm. Maar dit is ook niet ideaal – het duurt vaak erg lang om met het juiste “recept” te komen, en sommige materialen kunnen gewoon niet op alle substraten worden gekweekt.

Om deze reden hebben we een nieuwe methode om 2D-materialen te produceren, kinetische in situ enkellaagse synthese of de KISS-methode. Ons onderzoek wordt gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap.

Hoe kunnen we 2D-materialen op een eenvoudigere en schonere manier maken?

Maar hoe produceert de KISS-methode materialen op een eenvoudige, maar schonere manier? Een voordeel ligt op het gebied van oppervlaktewetenschap, waar het meeste werk wordt gedaan onder omstandigheden van ultrahoog vacuüm. Je weet het waarschijnlijk wel vacuüm, een ruimte of een container zonder materie, inclusief zelfs atomen. In werkelijkheid is het gewoon een gebied in de ruimte met een lagere druk dan de atmosferische druk. Hoe lager de druk, hoe minder materie die ruimte of container in beslag neemt. Ultrahoog vacuüm is precies dat, een gebied met extreem lage druk, vergelijkbaar met het vacuüm van de ruimte. In deze lagedrukkamer wordt de aanwezigheid van atomen en moleculen aanzienlijk verminderd, zodat ik mijn monsters lang en schoon kan houden. Ultrahoog vacuüm en reinheid is een van de fundamentele ingrediënten in het KISS-exfoliatieproces.

Een ander belangrijk ingrediënt is het gebruik van een uitzonderlijk vlak en schoon substraat waarop het 2D-materiaal wordt geplaatst. Het substraat kan een metaal zijn zoals goud of zilver, of zelfs een halfgeleider zoals germanium, zolang het atomair vlak en schoon is. Om het simpel te houden, wordt het substraat ook gebruikt voor exfoliatie als een soort stijve plakband.

Dit zijn enkele van de belangrijkste redenen waarom KISS-exfoliatie zo goed werkt. Mijn “plakband”-substraat is extreem vlak en extreem schoon, wat een uitstekend contact met het gehele kristaloppervlak mogelijk maakt, waardoor een 2D-materiaal goed aan het substraat kan hechten.

Hoe eenvoudig is dit eigenlijk om te doen? Voor onderzoekers die in oppervlaktewetenschappelijke laboratoria werken, blijkt deze methode ongelooflijk eenvoudig te zijn. We doen dingen altijd in ultrahoog vacuüm en weten hoe we dingen goed moeten schoonmaken, dus dat deel is gemakkelijk. De gebruikte substraten, monokristallijn Ag(111) of Au(111), worden ook vaak gebruikt voor het kalibreren van apparatuur voor oppervlaktewetenschap, dus ze worden ook vaak aangetroffen in laboratoria voor oppervlaktewetenschap. De enige aanvullende vereiste is het bevestigen van het gelaagde kristal aan een houder met een veerachtig mechanisme, vergelijkbaar met dat van een pen, wat zorgt voor een zacht en nauwkeurig contact tijdens het KISS-exfoliatieproces.

Het begin van de KISS-methode

Dus hoe toepasbaar is de KISS-methode? In onze onderzoekspapier Om de KISS-methode uit te werken, hebben mijn collega’s en ik uitgebreide tests uitgevoerd met verschillende materialen en drie soorten substraten, en we hebben 2D-lagen gemaakt van vierlaagse materialen. We hebben deze experimenten uitgevoerd in twee afzonderlijke laboratoria in Zweden en Denemarken, en hebben zelfs ontwerpen met meerdere houders getest om de veelzijdigheid van de methode te beoordelen. De resultaten zijn veelbelovend – het blijkt best veel! Met KISS-exfoliatie konden we veel verschillende 2D-materialen maken en de opzet is eenvoudig aan te passen in verschillende laboratoriumomgevingen. We hebben het met succes geïmplementeerd in mijn onderzoeksgroep aan de Rijksuniversiteit Groningen, en een aantal van mijn medewerkers van andere onderzoeksinstituten hebben het met succes toegepast ondanks het werken met een geheel andere opstelling en het bestuderen van verschillende materialen. Gezien de eenvoud en geschiktheid voor oppervlaktewetenschap, met name voor materialen die gevoelig zijn voor lucht, heeft de KISS-methode het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de productie en studie van 2D-materialen.

Ik hoop dat onderzoekers op het gebied van oppervlaktewetenschap over de hele wereld, en misschien zelfs in andere disciplines, deze methode zullen overnemen en aanpassen voor hun onderzoek, waardoor hun experimenten gemakkelijker en sneller worden. Wie weet? In de toekomst kunnen we de KISS-methode mogelijk zelfs aanpassen voor grootschalige productie van 2D-materialen.

Dit verhaal is een onderdeel van Dialoogvenster Wetenschap Xwaar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.