Team onthult mogelijkheden van nieuwe materialen van één atoom dik

Nieuwe 2D-materialen hebben het potentieel om technologieën te transformeren, met toepassingen van zonnecellen tot smartphones en draagbare elektronica, legt Can Ataca, assistent-professor natuurkunde van UMBC, uit. Deze materialen bestaan ​​uit een enkele laag atomen die met elkaar zijn verbonden in een kristalstructuur. Ze zijn zelfs zo dun dat een stapel van 10 miljoen stuks maar 1 millimeter dik zou zijn. En soms, zegt Ataca, is minder meer. Sommige 2D-materialen zijn effectiever en efficiënter dan vergelijkbare materialen die veel dikker zijn.

Ondanks hun voordelen zijn 2-D-materialen momenteel echter moeilijk en duur om te maken. Dat betekent dat de wetenschappers die ze proberen te creëren, zorgvuldige keuzes moeten maken over hoe ze hun tijd, energie en geld in ontwikkeling steken.

Nieuw onderzoek door Daniel Wines, Ph.D. kandidaat in de natuurkunde, en Ataca geeft die wetenschappers de informatie die ze nodig hebben om high-impact onderzoek op dit gebied uit te voeren. Hun theoretische werk levert betrouwbare informatie op over welke nieuwe materialen wenselijke eigenschappen hebben voor een reeks van toepassingen en in een stabiele vorm in de natuur kunnen voorkomen. In een recent artikel gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces, Ze gebruikten geavanceerde computermodelleringstechnieken om de eigenschappen te voorspellen van 2D-materialen die nog niet in het echte leven zijn gemaakt.

“Meestal proberen we experimentalisten ongeveer vijf jaar voor te blijven”, zegt Wines. Op die manier kunnen ze voorkomen dat ze dure doodlopende wegen ingaan. “Dat is tijd, moeite en geld dat ze zich op andere dingen kunnen concentreren.”

De perfecte mix

Het nieuwe artikel concentreert zich op de stabiliteit en eigenschappen van 2-D-materialen die groep III-nitriden worden genoemd. Dit zijn mengsels van stikstof en een element uit groep III van het periodiek systeem, waaronder aluminium, gallium, indium en boor.

Wetenschappers hebben al een aantal van deze 2-D-materialen in kleine hoeveelheden gemaakt. In plaats van te kijken naar mengsels van een van de elementen uit groep III met stikstof, gemodelleerden Wines en Ataca legeringen – mengsels met stikstof en twee verschillende elementen uit groep III. Ze voorspelden bijvoorbeeld de eigenschappen van materialen die voornamelijk van aluminium waren gemaakt, maar met wat gallium toegevoegd, of meestal gallium, maar met wat indium toegevoegd.

Deze “tussenliggende” materialen kunnen tussenliggende eigenschappen hebben die nuttig kunnen zijn in bepaalde toepassingen. “Door deze legering te doen, kunnen we zeggen: ik heb oranje licht, maar ik heb materialen die rood licht en geel licht kunnen absorberen”, zegt Ataca. “Dus hoe kan ik dat mengen zodat het het oranje licht kan absorberen?” Door het lichtabsorptievermogen van deze materialen af ​​te stemmen, kan de efficiëntie van bijvoorbeeld zonne-energiesystemen worden verbeterd.

Legeringen van de toekomst

Ataca en Wines keken ook naar de elektrische en thermo-elektrische eigenschappen van materialen. Een materiaal heeft een thermo-elektrisch vermogen als het elektriciteit kan opwekken als de ene kant koud is en de andere kant heet. De basisnitriden van groep III hebben thermo-elektrische eigenschappen, “maar bij bepaalde concentraties zijn de thermo-elektrische eigenschappen van legeringen beter dan de basisnitriden van groep III”, zegt Ataca.

Wines voegt eraan toe: “Dat is de belangrijkste motivatie voor het legeren – de afstembaarheid van de eigenschappen.”

Ze toonden ook aan dat niet alle legeringen in het echte leven stabiel zouden zijn. Zo waren mengsels van aluminium en boor bij alle concentraties niet stabiel. Er waren echter vijf verschillende verhoudingen van gallium-aluminiummengsels stabiel.

Zodra de productie van de basisnitriden van groep III betrouwbaarder wordt en wordt opgeschaald, verwachten Wines en Ataca dat wetenschappers werken aan de engineering van de materialen voor specifieke toepassingen met behulp van hun resultaten als leidraad.

Back to basics … met supercomputers

Wines en Ataca hebben de eigenschappen van de materialen gemodelleerd met behulp van supercomputers. In plaats van experimentele data te gebruiken als input voor hun modellen, “gebruiken we de basis van de kwantummechanica om deze eigenschappen te creëren. Het goede is dus dat we geen experimentele vooroordelen hebben”, zegt Ataca. “We werken aan dingen die voorheen geen experimenteel bewijs hebben. Dit is dus een betrouwbare aanpak.”

Om de meest nauwkeurige resultaten te krijgen, is enorme hoeveelheden rekenkracht nodig en duurt het lang. Het kan enkele dagen duren voordat hun modellen op het hoogste nauwkeurigheidsniveau worden uitgevoerd.

“Het is net zoiets als een verhaal vertellen”, zegt Wines. “We doorlopen het meest basale niveau om de materialen te screenen”, wat maar ongeveer een uur duurt. “En dan gaan we naar het hoogste niveau van nauwkeurigheid, met behulp van de krachtigste computers, om de meest nauwkeurige parameters te vinden.”

“Ik denk dat het mooie van deze studies is dat we bij de basis zijn begonnen en letterlijk naar het meest nauwkeurige niveau in ons vakgebied zijn gegaan”, voegt Ataca toe. “Maar we kunnen altijd om meer vragen.”

Een nieuwe grens

Ze zijn doorgegaan met hun vorderingen op onbekend wetenschappelijk terrein. In een ander artikel, gepubliceerd binnen een week na de eerste in ACS toegepaste materialen en interfaces, Theodosia Gougousi, hoogleraar natuurkunde; Jaron Kropp, Ph.D. ’20, natuurkunde; en Ataca demonstreerden een manier om 2-D-materialen in echte apparaten te integreren.

2D-materialen moeten vaak worden aangesloten op een elektronisch circuit in een apparaat. Er is een tussenlaag nodig om die verbinding te maken – en het team heeft er een gevonden die werkt. “We hebben een molecuul dat dit kan, dat een verbinding kan maken met het materiaal, om het te gebruiken voor externe circuittoepassingen”, zegt Ataca.

Dit resultaat is een groot probleem voor de implementatie van 2-D-materialen. “Dit werk combineert fundamenteel experimenteel onderzoek naar de processen die plaatsvinden op het oppervlak van 2-D atomaire kristallen met een gedetailleerde computationele evaluatie van het systeem”, zegt Gougousi. “Het biedt begeleiding aan de apparaatgemeenschap, zodat ze met succes nieuwe materialen kunnen integreren in traditionele apparaatarchitecturen.”

Samenwerking tussen disciplines

De theoretische analyses voor dit werk vonden plaats in het laboratorium van Ataca en de experimenten vonden plaats in het laboratorium van Gougousi. Kropp werkte in beide groepen.

“Het project illustreert de synergie die nodig is voor de ontwikkeling en vooruitgang van wetenschap en technologie”, zegt Gougousi. “Het is ook een goed voorbeeld van de mogelijkheden die onze afgestudeerde studenten hebben om te werken aan problemen van groot technologisch belang, en om een ​​brede kennisbasis en een unieke set technische vaardigheden te ontwikkelen.”

Kropp, die de eerste auteur is van het tweede artikel, is opgetogen over deze onderzoekservaring.

“2D-halfgeleiders zijn opwindend omdat ze het potentieel hebben voor toepassingen in niet-traditionele elektronische apparaten, zoals draagbare of flexibele elektronica, omdat ze zo dun zijn”, zegt hij. “Ik had het geluk dat ik twee uitstekende adviseurs had, want hierdoor kon ik het experimentele en theoretische werk naadloos combineren. Ik hoop dat de resultaten van dit werk andere onderzoekers kunnen helpen om nieuwe apparaten te ontwikkelen op basis van 2D-materialen.”