Microgolfgestuurde exfoliatie van MoS2 produceert grote vlokken met hoge opbrengsten

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe methode ontwikkeld om MoS te exfoliëren₂ vlokken die zeer grote en zeer dunne vlokken produceert met een hoge opbrengst. De exfoliatie met behulp van microgolven levert 50 keer meer schilfers op dan die verkregen door ultrasone trillingen en geeft een materiaalkwaliteit die vergelijkbaar is met mechanische exfoliatie. Dit snelle proces vereist minimale verwerking en belooft nieuwe toepassingen in elektronische en fotonische apparaten mogelijk te maken.

MoS₂ is een overgangsmetaaldichalcogenide, een materiaal dat interessant is op het gebied van elektronica vanwege het brede scala aan fysische eigenschappen, van halfmetaal tot halfgeleiders, supergeleiders of isolatoren, afhankelijk van de afmetingen. Het aantal gestapelde lagen is cruciaal bij het bepalen van deze eigenschappen. Monolaag MoS₂vertoont bijvoorbeeld een directe bandgap van 1,90 eV, terwijl bulk 2H-MoS₂ presenteert een indirecte bandgap van 1,23 eV. Deze aanpasbare eigenschappen maken ze tot ideale kandidaten voor toepassingen. Echter, het verkrijgen van een groot gebied, hoogwaardige MoS₂ vlokken is een uitdaging gebleken.

Bestaande exfoliatiemethoden in de vloeistoffase hebben lage opbrengsten en resulteren vaak in brede dikteverdelingen, waardoor het moeilijk is om eenlaags en weiniglaags 2H-MoS te verkrijgen₂. In een poging de opbrengsten te verbeteren, hebben onderzoekers andere technieken onderzocht, waaronder kogelmalen, elektrochemische exfoliatie en vloeistofdynamische exfoliatie. Deze methoden hebben echter schaalbaarheidsproblemen of produceren metallische 1T-MoS₂die verschillende eigenschappen en toepassingen heeft.

Het team, geleid door professoren Víctor Sebastián en Jesús Santamaría van het Institute of Nanoscience and Materials in Zaragoza (INMA, CSIC-UNIZAR), en professor Emilio M. Pérez van het Madrid Institute of Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA Nanociencia), beide in Spanje, hebben een nieuwe microgolfondersteunde methode getest voor het exfoliëren van MoS₂ vlokken. Ze ontdekten dat de methode goed geëxfolieerd materiaal opleverde met zijafmetingen die vergelijkbaar zijn met die verkregen door mechanische exfoliatie. De opbrengst van het proces is ongeveer 50 keer groter dan exfoliatiemethoden met ultrasone trillingen. Het levert een materiaalkwaliteit op die vergelijkbaar is met mechanische peeling, waarvan de schilfers vergelijkbaar zijn met die verkregen door deze methode, maar met een onvergelijkbaar hoger rendement (mechanische peeling wordt feitelijk schilfer voor schilfer uitgevoerd). Het proces is snel, duurt slechts een paar minuten en vereist minimale verwerking.

Deze methode combineert het beste van twee werelden (mechanische exfoliatie en exfoliatie in vloeibare fase) en verbetert de resultaten van elk geval in termen van dikte, zijdelingse grootte, opbrengst en verwerkingstijd. De methode van de onderzoekers betekent een grote stap vooruit op het gebied van MoS₂ afschilfering, biedt een hoog rendement, snel en microgolfondersteund proces dat goed geëxfolieerde, weinig gelaagde MoS produceert₂ vlokken. De methode heeft het potentieel om nieuwe toepassingen van MoS mogelijk te maken₂ in elektronische en fotonische apparaten. Het is toegepast op MoS₂, maar het kan worden gebruikt om elk materiaal met hoge microgolfabsorptievermogens te exfoliëren, omdat het een veelzijdige benadering is op het gebied van opkomende 2-dimensionale (2D) materialen. De onderzoekers zijn van plan de methode verder te onderzoeken en de schaalbaarheid en mogelijke toepassingen in meer detail te onderzoeken.

De professoren Sebastián en Pérez zeggen dat het meest opwindende aan je resultaten is “…de laterale grootte van de schilfers. 2D-materialen moeten natuurlijk erg dun zijn, en dat is het hele punt van exfoliatiemethoden, maar het is vaak over het hoofd gezien dat je voor de meeste toepassingen ook grote zijdelingse schilfers wilt hebben, maar het verkrijgen van schilfers die tegelijkertijd groot en dun zijn en een hoge opbrengst hebben, is niet eenvoudig, aangezien alle exfoliatiemethoden neerkomen op het toevoegen van enige vorm van energie aan het bulkmateriaal, om de van der Waals-interacties tussen de lagen te overwinnen. En het is moeilijk te voorkomen dat diezelfde energie tegelijkertijd zijdelingse schade veroorzaakt. Onze methode slaagt erin om microgolven te gebruiken om oplosmiddelmoleculen tussen de lagen te verdampen, waardoor zeer snel een hoge druk tussen hen, zodat ze kunnen worden gescheiden, maar niet worden beschadigd.”

Gevraagd naar de mogelijke real-life toepassingen van de methode, antwoorden de onderzoekers: “2D-materialen in het algemeen, en overgangsmetaal-dichalcogeniden in het bijzonder, zijn veelbelovend voor veel technologieën (sensoren, elektronica, enz.), maar het begint natuurlijk allemaal door deze materialen van goede kwaliteit te maken, idealiter in grote hoeveelheden en goedkoop. Dit is waar ons werk aan kan bijdragen. Het is geen stap in de richting van een nieuwe specifieke technologie, maar eerder een hulpmiddel om alle hoop op 2D-materialen te helpen worden een realiteit.”

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.