Perfecte randen creëren in 2-D-materialen

Ultradunne materialen zoals grafeen beloven een revolutie in nanowetenschap en technologie. Onderzoekers van Chalmers University of Technology, Zweden, hebben een studie gepubliceerd in Nature Communications waarin ze een methode presenteren om de randen van tweedimensionale materialen te controleren met behulp van een “magische” chemische stof.

“Onze methode maakt het mogelijk om de randen – atoom voor atoom – te beheersen op een manier die zowel gemakkelijk als schaalbaar is, met alleen milde verwarming in combinatie met overvloedige, milieuvriendelijke chemicaliën, zoals waterstofperoxide”, zegt Battulga Munkhbat, een postdoctoraal onderzoeker. bij de afdeling natuurkunde aan de Chalmers University of Technology, en eerste auteur van het artikel.

Materialen zo dun als slechts een enkele atomaire laag staan ​​bekend als tweedimensionale of 2-D-materialen. Het bekendste voorbeeld is grafeen, evenals molybdeendisulfide, zijn halfgeleideranalogon. Toekomstige ontwikkelingen binnen het vakgebied kunnen baat hebben bij het bestuderen van een bepaald kenmerk dat inherent is aan dergelijke materialen: hun randen. Het beheersen van de randen is een uitdagend wetenschappelijk probleem, omdat ze heel anders zijn in vergelijking met het hoofdgedeelte van een 2D-materiaal. Een specifiek type rand dat bijvoorbeeld wordt aangetroffen in overgangsmetaaldichalcogeniden (bekend als TMD’s, zoals het eerder genoemde molybdeendisulfide), kan magnetische en katalytische eigenschappen hebben.

Typische TMD-materialen hebben randen die in twee verschillende varianten kunnen voorkomen, bekend als zigzag of fauteuil. Deze alternatieven zijn zo verschillend dat hun fysische en chemische eigenschappen totaal niet gelijk zijn. Berekeningen voorspellen bijvoorbeeld dat zigzagranden metaalachtig en ferromagnetisch zijn, terwijl fauteuilranden halfgeleidend en niet-magnetisch zijn. Vergelijkbaar met deze opmerkelijke variaties in fysische eigenschappen, zou men kunnen verwachten dat de chemische eigenschappen van zigzag- en fauteuilranden ook heel verschillend zijn. Als dit het geval is, is het mogelijk dat bepaalde chemicaliën de randen van fauteuils oplossen, terwijl de zigzagranden onaangetast blijven.

Nu, zo’n magische chemische stof is precies wat de onderzoekers van Chalmers hebben gevonden – in de vorm van gewoon waterstofperoxide. In eerste instantie waren de onderzoekers volledig verrast door de nieuwe resultaten.

“Het was niet alleen dat het ene type snede dominant was over de andere, maar ook dat de resulterende randen extreem scherp waren – bijna atomair scherp. Dit geeft aan dat de ‘magische’ chemische stof op een zogenaamde zelflimiterende manier werkt en ongewenst materiaal atoom voor atoom, wat uiteindelijk resulteerde in randen aan de atomair scherpe grens. De resulterende patronen volgden de kristallografische oriëntatie van het originele TMD-materiaal en produceerden prachtige, atoomscherpe hexagonale nanostructuren, “zegt Battulga Munkhbat.

“Een buitengewoon fascinerende ontwikkeling”

De nieuwe methode, die een combinatie omvat van standaard top-down lithografische methoden met een nieuw anisotroop nat etsproces, maakt het daarom mogelijk om perfecte randen te creëren in tweedimensionale materialen.

“Deze methode opent nieuwe en ongekende mogelijkheden voor van der Waals-materialen (gelaagde 2-D-materialen). We kunnen nu randfysica met 2-D-fysica combineren in één enkel materiaal. Het is een buitengewoon fascinerende ontwikkeling”, zegt Timur Shegai, Universitair hoofddocent bij de afdeling Fysica in Chalmers en leider van het onderzoeksproject.

Deze en andere gerelateerde materialen trekken vaak veel onderzoeksaandacht, omdat ze cruciale vooruitgang mogelijk maken binnen de nanowetenschap en technologie, met mogelijke toepassingen variërend van kwantumelektronica tot nieuwe soorten nano-apparaten. Deze hoop komt tot uiting in het Graphene Flagship, Europa’s grootste onderzoeksinitiatief ooit, dat wordt gecoördineerd door Chalmers University of Technology.

Om de nieuwe technologie beschikbaar te maken voor onderzoekslaboratoria en hightechbedrijven hebben de onderzoekers een startende onderneming die atoomscherpe TMD-materialen van hoge kwaliteit aanbiedt. De onderzoekers zijn ook van plan om toepassingen voor deze atomair scherpe metamaterialen verder te ontwikkelen.