Studie onderzoekt de mechanische eigenschappen van molybdeendisulfide nanolinten met fauteuilranden

De eigenschappen van nanolintranden zijn belangrijk voor hun toepassingen in elektronische apparaten, sensoren en katalysatoren. Een groep wetenschappers uit Japan en China bestudeerde de mechanische respons van enkellaags molybdeendisulfide nanolinten met fauteuilranden met behulp van in situ transmissie-elektronenmicroscopie.

Ze toonden aan dat de Young-modulus van het nanolint omgekeerd varieerde met de breedte onder de breedte van 3 nm, wat wijst op een hogere bindingsstijfheid voor de randen van de fauteuil. Hun werk, gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde wetenschapwas co-auteur van universitair hoofddocent Kenta Hongo en professor Ryo Maezono van JAIST en docent Chunmeng Liu en docent Jiaqi Zhang van de Zhengzhou Universiteit, China.

Sensoren zijn alomtegenwoordig in de moderne wereld, met toepassingen variërend van het detecteren van explosieven, het niet-invasief meten van fysiologische pieken van glucose of cortisol tot het schatten van de broeikasgasniveaus in de atmosfeer.

De primaire technologie die nodig is voor sensoren is een mechanische resonator. Traditioneel worden kwartskristallen voor dit doel gebruikt vanwege hun hoge stijfheid en gemakkelijke beschikbaarheid. Deze technologie heeft onlangs echter plaatsgemaakt voor geavanceerde nanomaterialen. Eén van die veelbelovende materialen is het enkelwandige molybdeendisulfide (MoS₂) nanolint.

Het karakteriseren van de fysische en chemische eigenschappen van nanolintranden is cruciaal voor hun toepassingen in elektronische apparaten, sensoren en katalysatoren. Echter, de mechanische reactie van MoS₂ nanolinten – waarvan wordt verwacht dat ze afhankelijk zijn van hun randstructuur – zijn onontgonnen gebleven, wat hun praktische implementatie in dunne resonatoren belemmert.

Tegen deze achtergrond onderzocht een groep wetenschappers uit Japan en China, onder leiding van professor Yoshifumi Oshima van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), de mechanische eigenschappen – namelijk de Young-modulus – van enkellaags MoS.₂ nanolinten met fauteuilranden als functie van hun breedte met behulp van een micromechanische meetmethode.

Prof. Oshima zegt: “We hebben ’s werelds eerste micromechanische meetmethode ontwikkeld om de relatie tussen de atomaire rangschikking van materialen op atomaire schaal en hun mechanische sterkte te verduidelijken door een op kwarts gebaseerde lengte-uitbreidingsresonator (LER) op te nemen in een in situ transmissie-elektron microscopie (TEM) houder.”

Omdat de resonantiefrequentie van een kwartsresonator verandert wanneer deze contact met een materiaal waarneemt, kan de equivalente veerconstante van het materiaal met hoge precisie worden geschat door de verandering in deze resonantiefrequentie. Bovendien is het mogelijk om TEM-beelden met hoge resolutie vast te leggen, aangezien de LER-trillingsamplitude die nodig is voor de meting zo klein is als 27 pm. Bijgevolg slaagde de door de onderzoekers ontwikkelde nieuwe methode erin de tekortkomingen van conventionele technieken te overwinnen, waardoor uiterst nauwkeurige metingen werden bereikt.

De onderzoekers synthetiseerden eerst een enkellaags MoS₂ nanolint door de buitenste laag van de gevouwen rand van een MoS af te pellen₂ meerlaags met behulp van een wolfraamtip. Het enkellaagse nanolint werd ondersteund tussen de meerlaagse laag en de punt.

Het TEM-beeld van deze MoS₂ nanoribbon onthulde dat de rand een fauteuilstructuur had. “De breedte en lengte van het nanolint werden ook gemeten op basis van de afbeelding, en de overeenkomstige equivalente veerconstante werd bepaald op basis van de frequentieverschuiving van de LER om de Young-modulus van dit nanolint te verkrijgen”, zei docent Chunmeng Liu.

De onderzoekers ontdekten dat de Young-modulus van de enkellaagse MoS₂ nanolinten met fauteuilranden waren afhankelijk van hun breedte. Hoewel deze constant bleef rond 166 GPa voor bredere linten, vertoonde deze een omgekeerde relatie met de breedte voor linten met een breedte van minder dan 3 nm, oplopend van 179 GPa naar 215 GPa naarmate de breedte van de nanolint afnam van 2,4 nm naar 1,1 nm. De onderzoekers schrijven dit toe aan een hogere verbindingsstijfheid van de randen vergeleken met die van het interieur.

Berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie die de onderzoekers uitvoerden om hun observatie te verklaren, onthulden dat de Mo-atomen aan de rand van de leunstoel knikten, wat resulteerde in elektronenoverdracht naar de S-atomen aan beide kanten. Dit verhoogde op zijn beurt de Coulombische aantrekkingskracht tussen de twee atomen, waardoor de randsterkte werd vergroot.

Deze studie werpt belangrijk licht op de mechanische eigenschappen van MoS₂ nanolinten, die het ontwerp van ultradunne mechanische resonatoren op nanoschaal zouden kunnen vergemakkelijken.

“Nanosensoren op basis van dergelijke resonatoren kunnen worden geïntegreerd in smartphones en horloges, waardoor mensen hun omgeving kunnen monitoren en het gevoel van smaak en geur kunnen communiceren in de vorm van numerieke waarden”, besluit docent Jiaqi Zhang.