Oglądanie dwuwymiarowych materiałów rośnie

Knack II - godzina quaza (Lipiec 2019).

Anonim

Należą do najcieńszych struktur na ziemi: "materiały dwuwymiarowe" to kryształy składające się tylko z jednej lub kilku warstw atomów. Często wykazują niezwykłe właściwości, obiecując wiele nowych zastosowań w optoelektronice i technologii energetycznej. Jednym z tych materiałów jest siarczek 2-D-molibdenu, atomowo cienka warstwa atomów molibdenu i siarki.

Wytwarzanie takich ultracienkich kryształów jest trudne. Proces krystalizacji zależy od wielu różnych czynników. W przeszłości różne techniki dawały dość zróżnicowane wyniki, ale przyczyn tego nie można było dokładnie wytłumaczyć. Dzięki nowej metodzie opracowanej przez zespoły badawcze w TU Wien, University of Vienna i Joanneum Research w Styrii, po raz pierwszy można teraz zaobserwować proces krystalizacji bezpośrednio pod mikroskopem elektronowym. Metoda została przedstawiona w czasopiśmie naukowym ACS Nano.

Od gazu do kryształu

"Siarczek molibdenu można stosować w przezroczystych i elastycznych ogniwach słonecznych lub do zrównoważonego wytwarzania wodoru do magazynowania energii" - mówi główny autor badania, Bernhard C. Bayer z Instytutu Chemii Materiałów w TU Wien. "Aby to zrobić, jednak wysokiej jakości kryształy muszą być uprawiane w kontrolowanych warunkach."

Zwykle robi się to rozpoczynając od atomów w postaci gazowej, a następnie kondensując je na powierzchni w sposób losowy i niestrukturalny. W drugim etapie atomy są rozmieszczone w regularnej postaci krystalicznej - na przykład przez ogrzewanie. "Różnorodne reakcje chemiczne zachodzące podczas procesu krystalizacji są jednak nadal niejasne, co utrudnia opracowanie lepszych metod produkcji materiałów tego rodzaju", stwierdza Bayer.

Dzięki nowej metodzie powinno być teraz możliwe dokładne zbadanie szczegółów procesu krystalizacji. "Oznacza to, że nie trzeba już eksperymentować przez próbę i błąd, ale dzięki głębszemu zrozumieniu procesów możemy powiedzieć na pewno, jak uzyskać pożądany produkt" - dodaje Bayer.

Grafen jako podłoże

Najpierw molibden i siarka są umieszczane losowo na membranie wykonanej z grafenu. Grafen jest prawdopodobnie najbardziej znanym materiałem 2-D - kryształem o grubości tylko jednej warstwy atomowej składającej się z atomów węgla ułożonych w kratownicy o strukturze plastra miodu. Losowo ułożone molibdenu i siarki są następnie manipulowane w mikroskopie elektronowym cienką wiązką elektronów. Ta sama wiązka elektronów może być użyta jednocześnie do zobrazowania procesu i zainicjowania procesu krystalizacji.

W ten sposób możliwe stało się po raz pierwszy bezpośrednie obserwowanie, w jaki sposób atomy przemieszczają się i przestawiają podczas wzrostu materiału o grubości tylko dwóch warstw atomowych. "W ten sposób widzimy, że najbardziej stabilna termodynamicznie konfiguracja niekoniecznie musi być stanem końcowym" - mówi Bayer. Różne układy kryształów konkurują ze sobą, przekształcają się w siebie i zastępują się nawzajem. "Dlatego teraz jest jasne, dlaczego wcześniejsze badania miały tak różne wyniki, mamy do czynienia ze złożonym, dynamicznym procesem". Nowe odkrycia pomogą w bardziej precyzyjny sposób dopasować strukturę materiałów 2-D do wymagań aplikacji, w zamierzony sposób ingerując w procesy przegrupowania.

menu
menu