Metastabiele metalen nanodeeltjes zouden kunnen worden gebruikt in elektronica, optica

Wetenschappers van Rice University hebben hun techniek om grafeen in een flits te produceren uitgebreid om de eigenschappen van andere 2D-materialen aan te passen.

De laboratoria van chemicus James Tour en materiaaltheoreticus Boris Yakobson rapporteerden in de American Chemical Society’s ACS Nano ze hebben met succes grote hoeveelheden 2-D dichalcogeniden “geflitst”, waardoor ze zijn veranderd van halfgeleiders naar metallics.

Dergelijke materialen zijn waardevol voor onder meer elektronica, katalyse en als smeermiddel.

Het proces maakt gebruik van flash-joule-verwarming – waarbij een elektrische lading wordt gebruikt om de temperatuur van het materiaal dramatisch te verhogen – om halfgeleidende molybdeendisulfide en wolfraamdisulfide om te zetten. De duur van de puls en geselecteerde additieven kunnen ook de eigenschappen van de nu-metallische producten bepalen.

“Dit snelle proces stelt ons in staat een geheel nieuwe klasse van zeer gewaardeerde materialen op grote schaal en zonder het gebruik van oplosmiddelen of water te maken”, zei Tour.

Tweedimensionale dichalcogeniden zien er van bovenaf uit als hexagonaal grafeen, maar als je ze vanuit een hoek bekijkt, zie je een sandwichachtige structuur. In molybdeendisulfide, bijvoorbeeld, zit een enkel vlak van molybdeenatomen tussen vergelijkbare, maar verschoven, zwavelvlakken.

Het maken van elk materiaal in zijn metallische fase (bekend als 1T) vereiste voorheen veel complexere processen, aldus de onderzoekers. Zelfs toen was het bekend dat de producten onstabiel waren onder omgevingsomstandigheden. Flash Joule-verwarming lijkt dat probleem op te lossen en produceert metastabiele dichalcogeniden in een duizendste van een seconde.

Poedervormige, in de handel verkrijgbare dichalcogeniden gemengd met roet of wolfraampoeder om hun geleidbaarheid te verhogen, werden in een keramische buis met elektroden afgedekt en gedurende een fractie van een seconde geflitst met meer dan 1350 ampère stroom, en vervolgens snel afgekoeld. Met de buis onder vacuüm werden vreemde gassen afgevoerd, waardoor er voornamelijk pure metallics overbleven om te oogsten.

Volgens de berekeningen van het Yakobson-team dwingt de grote energie-input structurele defecten te verschijnen in de kristalroosters van de materialen, waardoor negatieve ladingen worden toegevoegd die 1T de thermodynamisch geprefereerde fase maken.

“Het is een interessante fast-forward incarnatie van het principe van Le Chatelier: onder spanning verandert het materiaal in een meer geleidende 1T-fase om de toegepaste elektrische velden tegen te gaan / te verminderen”, zegt co-auteur Ksenia Bets, een onderzoeker in de Yakobson-groep. . “Onze gedetailleerde berekeningen laten zien dat het kinetische pad indirect is: de sublimerende zwavel creëert een leegstand-rijk rooster dat energetisch de voorkeur geeft aan een 1T-structuur.”

Het feit dat omstandigheden en toevoegingen het eindproduct kunnen beïnvloeden, zou moeten leiden tot een systematische studie naar mogelijke variaties, zei Tour.

Weiyin Chen, afgestudeerde student aan Rice, is hoofdauteur van het artikel. Bijkomende co-auteurs zijn Rice-studenten Zhe Wang, Emily McHugh, Wala Algozeeb en Jinhang Chen; postdoctorale onderzoekers Duy Xuan Luong en Bing Deng; alumni Muqing Ren en Michael Stanford; assistent-onderzoeksprofessor Hua Guo; onderzoeker Guanhui Gao; en studenten John Tianci Li en William Carsten.

Tour is de TT- en WF Chao-leerstoel in de chemie, evenals een professor in computerwetenschappen en materiaalkunde en nanoengineering. Yakobson is de Karl F. Hasselmann hoogleraar materiaalkunde en nanotechnologie en hoogleraar scheikunde.