Modellering van het gedrag van 2D-materialen onder druk

Credit: ACS Nano (2021). DOI: 10.1021 / acsnano.0c10609

Wetenschappers van het Skoltech Centre for Energy Science and Technology (CEST) hebben een methode ontwikkeld om het gedrag van 2D-materialen onder druk te modelleren. Het onderzoek zal helpen bij het maken van druksensoren op basis van siliceen of andere 2D-materialen. Het artikel is gepubliceerd in de ACS Nano logboek.

Siliceen, dat wordt beschouwd als het siliciumanalogon van grafeen, is een tweedimensionale allotroop van silicium. In zijn normale toestand is een bulk-silicium een ​​halfgeleider met een diamantkristal-achtige structuur. Naarmate het dunner wordt tot een of meerdere lagen, veranderen de eigenschappen drastisch. Het is echter nog niet mogelijk geweest om de verandering in de elektronische eigenschappen van 2D-materialen onder hoge druk te bestuderen.

Wetenschappers uit Rusland, Italië, de Verenigde Staten en België hebben een theoretische onderzoeksmethode ontwikkeld op basis van kwantumchemie om de elektronische eigenschappen van 2D-materialen onder druk te bestuderen met siliceen als voorbeeld. In tegenstelling tot koolstof, dat stabiel is in zowel 3D- als 2D-toestanden, is siliceen metastabiel en gemakkelijk in wisselwerking met de omgeving.

“Silicium is een halfgeleider in zijn bulkstaat en een metaal in de 2D-toestand. De eigenschappen van monolaag en meerlagig siliceen worden uitvoerig theoretisch bestudeerd. Siliceen is eerder gegolfd dan vlak vanwege de interacties tussen de naburige siliciumatomen. maak siliceen plat en verander de eigenschappen ervan, maar dit effect kan nog niet experimenteel worden onderzocht ”, legt Skoltech-onderzoeker Christian Tantardini uit.

In de meeste gevallen produceren experimentele gereedschappen die worden gebruikt om druk uit te oefenen op het materiaal langs de as loodrecht op het vlak, gelijktijdig compressie in de richtingen in het vlak van 2D-materiaal. De resulterende metingen zouden dus nauwelijks nauwkeurig zijn, dus op dit moment lijkt modellering de enige plausibele benadering te zijn.

“In ons geval was een nieuwe theoretische benadering de enige oplossing. Omdat er slechts in één richting druk wordt uitgeoefend, simuleren we de compressie van ons materiaal en proberen we erachter te komen wat de reden is van de veranderingen in de elektronische structuur, de rangschikking van silicium. atomen en hun hybridisatie onder verschillende druk, en waarom de lagen afvlakken, “merkt Skoltech Senior Research Scientist Alexander Kvashnin op.

Nauwkeurige voorspelling van het gedrag van siliceen of andere 2D-materialen onder druk zou siliceen een veelbelovende kandidaat maken voor druksensoren. Wanneer siliceen in de sensor wordt geplaatst, kan het helpen de druk te bepalen op basis van de reactie van het materiaal op compressie. Dit soort sensoren zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt in boorplatforms met een hoge behoefte aan drukregeling om de boorkracht te vergroten zonder de apparatuur te beschadigen.

“We gebruikten siliceen in onze modelleringsstudie om de methode te testen die ook zou kunnen werken voor andere 2D-materialen, waaronder stabielere materialen die al op grote schaal worden vervaardigd en gebruikt, zonder druk”, zegt Xavier Gonze, een gasthoogleraar bij Skoltech en een professor bij de Université catholique de Louvain (UCLouvain) in België.