Studies geven antwoorden over veelbelovende 2-D-materialen

Tweedimensionale, gelaagde materialen zijn veelbelovend voor een aantal toepassingen, zoals alternatieve platforms voor de volgende generatie logica- en geheugenapparaten en flexibele energieopslagapparaten. Er is echter nog veel onbekend over hen.

Twee onderzoeken uit het laboratorium van Judy Cha, de Carol en Douglas Melamed Associate Professor of Mechanical Engineering & Materials Science en een lid van het Yale West Campus Energy Sciences Institute, beantwoorden enkele cruciale vragen over deze materialen. Beide onderzoeken werden gefinancierd met subsidies van het Army Research Office (ARO), een onderdeel van het Army Research Laboratory van het US Army Combat Capabilities Development Command, en zijn gepubliceerd in Geavanceerde elektronische materialen.

In één artikel maten Cha en haar team van onderzoekers, in samenwerking met Yale chemieprofessoren Nilay Hazari en Hailiang Wang, experimenteel de precieze dopingeffecten van kleine moleculen op 2D-materialen – een eerste stap naar het afstemmen van moleculen voor het moduleren van de elektrische eigenschappen van 2-D materialen. Daarbij bereikten ze ook een zeer hoge dopingconcentratie.

Doping – het toevoegen van onzuiverheden zoals boor of fosfor aan silicium bijvoorbeeld – is essentieel voor de ontwikkeling van halfgeleiders. Het maakt het mogelijk om de dichtheid van de draaggolven – het aantal elektronen en andere ladingsdragers – af te stemmen om een ​​functioneel apparaat te produceren. Conventionele dopingmethoden zijn echter vaak te energie-intensief en potentieel schadelijk om goed te werken voor 2-D-materialen.

In plaats daarvan, omdat 2D-materialen vrijwel allemaal oppervlakkig zijn, kunnen onderzoekers kleine moleculen die bekend staan ​​als organische elektronendonoren (OED) op de oppervlakken strooien en de 2-D-materialen activeren – dat wil zeggen, oppervlaktefunctionalisatie creëren. Dankzij organische chemie is de methode opmerkelijk effectief. Het verbreedt ook enorm de keuze voor het gebruikte materiaal. Voor deze studie gebruikte Cha molybdeendisulfide (MoS₂).

Om deze materialen verder te optimaliseren, hebben onderzoekers echter meer precisie nodig. Ze moeten weten hoeveel elektronen elk molecuul van de OED doneert aan het 2-D-materiaal en hoeveel moleculen er in totaal nodig zijn.

“Door dit te doen, kunnen we vooruitgaan en goed ontwerpen, wetende hoe we de moleculen moeten tweaken en vervolgens de carrier-dichtheid verhogen,” zei Cha.

Om deze kalibratie te maken, gebruikten Cha en haar team atoomkrachtmicroscopie in de Imaging Core op Yale’s West Campus. Voor hun materiaal bereikten ze een dopingefficiëntie van ongeveer één elektron per molecuul, waardoor ze het hoogste dopingniveau ooit behaald in MoS2 konden aantonen. Dit was alleen mogelijk door de nauwkeurige metingen die werden uitgevoerd.

“Nu we de dopingkracht kennen, bevinden we ons niet langer in de donkere ruimte van niet weten waar we zijn”, zei ze. “Vroeger konden we dopen, maar konden we niet weten hoe effectief die doping is. Nu hebben we een aantal elektronendichtheden die we willen bereiken en we hebben het gevoel dat we weten hoe we daar moeten komen.”

In een tweede paper keek Cha’s team naar de effecten van mechanische belasting op de bestelling van lithium in lithium-ionbatterijen.

Huidige commerciële lithium-ionbatterijen gebruiken grafiet als anode. Wanneer lithium wordt ingebracht in de openingen tussen grafeenlagen waaruit grafiet bestaat, moeten de gaten groter worden om plaats te maken voor de lithiumatomen.

‘Dus vroegen we:’ Wat als je deze uitbreiding zou stoppen? ”, Zei Cha. “We ontdekten dat lokale belasting de volgorde van de lithiumionen beïnvloedt. De lithiumionen worden effectief vertraagd.”

Als er een spanningsenergie is, kan lithium niet zo vrij bewegen als voorheen, en is er meer energie nodig om het lithium in de gewenste configuratie te dwingen.

Door de exacte effecten van de spanningsenergie te berekenen, kon Cha’s onderzoeksteam precies aantonen hoeveel de lithiumatomen vertragen.

De studie heeft bredere implicaties, vooral als het veld zich verplaatst van lithiumbatterijen in het voordeel van die gemaakt van andere, gemakkelijk verkrijgbare materialen, zoals natrium of magnesium, die ook kunnen worden gebruikt voor oplaadbare batterijen.

“Natrium en magnesium zijn veel groter, dus de kloof moet veel groter worden dan bij lithium, dus de effecten van spanning zullen veel dramatischer zijn”, zei ze. De experimenten in het onderzoek geven een vergelijkbaar begrip van de effecten die mechanische belasting op deze andere materialen zou kunnen hebben.

ARO-onderzoekers zeiden dat Cha’s studies zeer nuttig zullen zijn bij het bevorderen van hun eigen werk.

“De resultaten die in deze twee onderzoeken zijn verkregen met betrekking tot nieuwe tweedimensionale materialen, zijn van groot belang voor de ontwikkeling van toekomstige geavanceerde legertoepassingen op het gebied van detectie en energieopslag”, aldus Dr. Pani Varanasi, afdelingshoofd van ARO.