Door in de weg te lopen, fluoratomen helpen een tweedimensionaal materiaal te transformeren van een halfgeleider naar een metaal op een manier die zeer nuttig kan zijn voor elektronica en andere toepassingen.

Een onderzoek onder leiding van Rice-materiaalwetenschapper Pulickel Ajayan en hoofdauteur Sruthi Radhakrishnan beschrijft een nieuwe methode om wolfraamdisulfide van een halfgeleider naar een metallische toestand te transformeren.

Andere laboratoria hebben de transformatie bereikt door elementen aan het materiaal toe te voegen - een proces dat bekend staat als doping - maar de verandering is nooit eerder stabiel geweest. Tests en berekeningen bij Rice toonden fluorerende wolfraamdisulfidesloten in de nieuwe staat, die unieke optische en magnetische eigenschappen heeft.

De onderzoekers merkten ook het effect van de transformatie op de tribologische eigenschappen van het materiaal op - een maatstaf voor wrijving, smering en slijtage. Kortom, toevoeging van fluor maakt het materiaal gladder bij kamertemperatuur.

Het werk van het lab is gedetailleerd in Geavanceerde materialen .

Wolfraamdisulfide is een overgangsmetaal dichalcogenide (TMD), een atoomdikke halfgeleider. In tegenstelling tot grafeen, dat een plat rooster van koolstofatomen is, een TMD bevat twee elementen, één een overgangsmetaalatoom (in dit geval wolfraam) en de andere (zwavel) een chalcogeen. Het materiaal is niet strikt vlak; de overgangsmetaallaag is ingeklemd tussen het chalcogeen, vormen een drielaags rooster.

TMD's zijn potentiële bouwstenen met andere 2D-materialen voor energieopslag, elektrokatalyse en smering, die allemaal worden beïnvloed door de nu stabiele fasetransformatie.

Omdat fluoratomen veel kleiner zijn dan de ruimte van 0,6 nanometer tussen de lagen wolfraam en zwavel, de onderzoekers zeiden dat de invasieve atomen ertussenin werken, het ordelijke rooster van het materiaal verstoren. Het fluor laat de zwavelvliegtuigen heen en weer glijden, en de resulterende handel van elektronen tussen fluor en zwavel verklaart ook de unieke eigenschappen.

"Het was zeker een grote verrassing. Toen we aan dit werk begonnen, een fasetransformatie was het laatste wat we verwachtten te zien." zei Radhakrishnan, een voormalige afgestudeerde student in het laboratorium van Ajayan en nu een module-ingenieur bij Intel Corp. in Hillsboro, Erts.

"Het is echt verrassend dat de wrijvingseigenschappen van gefluoreerd wolfraamdisulfide totaal verschillen van het gefluoreerde grafeen dat eerder werd bestudeerd, " zei co-auteur Tobin Filleter, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Toronto. "Dit is een motivatie om vergelijkbare 2D-materialen te bestuderen om dergelijk interessant gedrag te onderzoeken."

De onderzoekers zeiden dat fluor niet alleen de bandgap lijkt te verkleinen en het materiaal geleidend maakt, maar ook defecten veroorzaakt die metalen "eilanden" langs het oppervlak van het materiaal creëren die ook paramagnetische en ferromagnetische eigenschappen vertonen. "Deze gebieden van metallisch wolfraamdisulfide zijn magnetisch en ze interfereren met elkaar, het creëren van interessante magnetische eigenschappen, ' zei Radhakrishnan.

Verder, omdat fluoratomen elektrisch negatief zijn, ze worden ook verdacht van het veranderen van de elektronendichtheid van naburige atomen. Dat verandert de optische eigenschappen van het materiaal, waardoor het een kandidaat is voor detectie- en katalysetoepassingen. Radhakrishnan suggereerde dat de materialen ook bruikbaar kunnen zijn in hun metaalfase als elektroden voor supercondensatoren en andere toepassingen voor energieopslag.

Radhakrishnan zei dat verschillende concentraties fluor de verhouding van verandering tot de metaalfase veranderen, maar de verandering bleef stabiel in alle drie de concentraties die het laboratorium bestudeerde.

"De fasetransformatie, verandering in eigenschappen met functionalisering door fluor en zijn magnetische en tribologische veranderingen zijn erg opwindend, "Zei Ajayan. "Dit kan worden uitgebreid naar andere 2D-gelaagde materialen en ik ben er zeker van dat het een aantal boeiende toepassingen zal openen."