Een interdisciplinair team van wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL) heeft aangetoond dat monolaag 2-D Transition Metal Dichalcogenides (TMD's) - atomair dunne halfgeleiders - een verandering ondergaan van halfgeleider- naar metaalfase wanneer ze worden blootgesteld aan chemische dampen in de lucht.

Het team valideerde optisch en elektronisch bewijs van de faseovergang en hoe het gedrag kan worden gebruikt om een ​​geheel nieuwe klasse chemische dampsensoren te creëren. Deze nieuwe klasse van instrumenten is potentieel gevoeliger dan de huidige state-of-the-art modellen, en selectief voor specifieke zenuwgassen en explosieve verbindingen die van groot belang zijn op de slagvelden van vandaag.

Sinds de ontdekking in 2004-2005 dat enkelvoudige monolaagfilms van TMD's kunnen worden geïsoleerd uit bulkmaterialen vanwege de zwakke tussenlaagse binding van atomen, bekend als van der Waals-binding, deze materialen blijven nieuwe en opmerkelijke gedragingen en eigenschappen onthullen.

"Deze materialen zijn zeer veelbelovend voor chemische dampdetectietoepassingen, omdat de inherente geringe atoomdikte van het materiaal hun gevoeligheid voor zelfs de kleinste oppervlakteverstoring aanzienlijk verhoogt, " zei Dr. Adam L. Friedman, onderzoek fysicus, Afdeling Materiaalwetenschappen en Technologie. "Afgezien van de directe interesse voor fundamenteel onderzoek, omdat deze specifieke methode voor het creëren van faseovergang in TMD's nog nooit eerder is waargenomen of onderzocht, het heeft een groot potentieel voor toepassing in een nieuw type fasegebaseerd, multifunctionele chemische dampsensor."

Monolayer TMD's bieden mogelijke technologische vooruitgang ten opzichte van de huidige materiaalmodellen, die de weg vrijmaken voor goedkope, flexibel, krachtige apparaten die hun unieke, door het oppervlak gedomineerde functionaliteit benutten.

Chemisch afgekort als MX2, waarbij M een overgangsmetaal is en X een chalocogeen is, de monolaag TMD's omvatten isolatoren, halfgeleiders, metalen en andere soorten materialen, en omvatten een verscheidenheid aan eigenschappen die niet worden waargenomen in hun bulkmateriaalequivalenten. Bepaalde films reageren selectief via een ladingsoverdrachtproces op een klasse analyten die zenuwgassen, zoals giftig middel X (VX), Een microscopisch kleine hoeveelheid analyt die op het oppervlak van de TMD ligt, fungeert als elektronendonor en lokaal reductiemiddel, die de geleiding van de film meetbaar beïnvloedt.

Het NRL-team veronderstelde dat bepaalde sterke chemische analyten van elektronendonoren, zoals die relevant zijn voor het waarnemen van bepaalde zenuwgassen en explosieven, kan ook voldoende ladingsoverdracht naar de TMD leveren om een ​​faseverandering te bewerkstelligen. Om hun hypothese te testen, de onderzoekers stelden monolaag TMD-films bloot aan sterke elektrondonor chemische dampanalyten en controleerden ze op hun geleiding en optische respons. Ze ontdekten dat de geleidingsrespons van hun apparaten stopte na matige blootstelling en dat de algehele omvang van de geleiding op dat moment abrupt aanzienlijk toenam, die een faseverandering signaleerde. De optische respons bevestigde ook een faseverandering.

Friedman zei, "We verzamelden een uitzonderlijk grote dataset met meerdere methoden om dit soort films te meten en concludeerden dat het gedrag dat we hebben waargenomen niet te wijten is aan doping en hoogstwaarschijnlijk te wijten is aan gedeeltelijke, gelokaliseerde faseveranderingen in de gebieden van de TMD-film waar zwak geadsorbeerde analyt lading overbrengt naar het rooster."

Dit nieuw ontdekte gedrag opent een geheel nieuwe mogelijkheid voor low-power, flexibel, veelzijdige chemische dampsensoren. Als de faseovergang kan worden gebruikt om sterke elektrondonoranalyten direct te detecteren, zal dit een geheel nieuw chemisch dampdetectiemodel creëren. Hiermee kunnen optische metingen van het passieve type worden gecombineerd met, of afzonderlijk gebruikt van, actieve geleidingsmetingen om analytdampen allemaal met hetzelfde apparaat te identificeren en te gebruiken als het bedieningsmechanisme voor een nieuwe methode om chemische verbindingen en de aanwezigheid van gevaarlijke dampen te identificeren.

Eerdere studies van vergelijkbare diffusieloze faseveranderingen hebben snelheden in het nanosecondebereik aangetoond, en de beoogde apparaten zullen ook snel zijn, die de stand van de techniek op het gebied van detectiesnelheid zal overtreffen. Omdat de hoeveelheid lading die nodig is om een ​​faseverandering te induceren in elk TMD-materiaal anders is, een reeks gelijktijdig detecterende TMD-materialen zal het mogelijk maken om elektronendonoren/acceptoren met verschillende sterktes te detecteren en zelfs te identificeren met de nodige redundantie om fouten te minimaliseren. Vanwege hun lage ruimtevereisten en kosten, deze sensoren kunnen ook gemakkelijk worden gecombineerd met huidige sensoren om een ​​nog veelzijdiger instrument te creëren voor de huidige platforms van het Ministerie van Defensie (DoD).

De resultaten worden gerapporteerd in het juni 2017 nummer van: Natuur Groepen publiceren Wetenschappelijke rapporten .