Wetenschappers schudden atomaire lagen zoals speelkaarten om nieuwe kwantummaterialen te maken

Credit: Vooruitgang op nanoschaal

Materiaalwetenschappers kunnen nu gelaagde samenstellingen door elkaar schudden, net zoals het combineren van twee verschillende kaartspellen. De techniek, onlangs ontdekt door een team van onderzoekers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, leidt tot de ontwikkeling van nieuwe materialen met ongebruikelijke elektronentransporteigenschappen die potentiële toepassingen hebben in de volgende generatie kwantumtechnologieën.

De ontdekte techniek heeft een andere onverwachte en veelbelovende toepassing laten zien in het ontwerpen van nieuwe materialen. De “herschikking” -benadering kan thermisch stabiele driedimensionale (3D) heterostructuren genereren uit gelaagde overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDC’s). Dit zijn van der Waals-materialen die zijn samengesteld uit metalen nanolagen die zijn ingeklemd tussen twee andere lagen chalcogenen – zwavel, selenium of tellurium. Net als grafiet kunnen deze verbindingen worden geëxfolieerd tot 2D-lagen, die unieke elektronentransporteigenschappen en kwantumverschijnselen vertonen.

“TMDC’s zijn zeer intrigerend voor onderzoekers als een mogelijkheid voor toepassingen in hernieuwbare energie, katalyse en opto-elektronica, om er maar een paar te noemen”, zegt projectleider Viktor Balema, senior wetenschapper bij de afdelingen materiaalwetenschappen en engineering van Ames Laboratory. “Ons onderzoeksdoel was de ontwikkeling van dergelijke hermontagemethoden voor deze gelaagde materialen, die niet alleen efficiënt zijn, maar ook schaalbaar en kosteneffectief in de productie.”

Onderzoekers van Ames Laboratory zijn erin geslaagd een van de grootste uitdagingen bij het samenstellen van deze gelaagde materialen te overwinnen – de moeilijkheid om atomair ongelijke, incommensurabele materialen samen te voegen – door het gebruik van mechanochemie die wordt vergemakkelijkt door kogelfrezen.

“Nu hebben we aangetoond dat we mechanochemisch nieuwe gelaagde heterostructuren kunnen ontwerpen, hun samenstelling kunnen regelen en hun eigenschappen kunnen afstemmen”, zegt Ihor Hlova, een wetenschapper in de afdelingen Materiaalwetenschappen en Engineering van Ames Laboratory. “Dit opent een weg naar een verscheidenheid aan verschillende combinaties – de mogelijkheden zijn in principe onbeperkt.”

Tot nu toe heeft deze aanpak bewezen te werken op verschillende zeer verschillende groepen verbindingen en blijft de wetenschappers verrassen met nieuwe ontdekkingen. De materialen die zijn bereid met behulp van de “layers-reshuffling” -techniek van het team, hebben al een breed scala aan elektronentransporteigenschappen laten zien, variërend van halfgeleidbaarheid tot metallische geleidbaarheid, afhankelijk van de betrokken bouwstenen.

Het onderzoek wordt verder besproken in het artikel “Incommensurate transition-metal dichalcogenides via mechanochemical reshuffling of binary precursors”, gepubliceerd in Vooruitgang op nanoschaal.