Wetenschappers van de National University of Singapore hebben het mechanisme ontdekt dat betrokken is bij het transformeren van overgangsmetaaldichalcogeniden op metalen substraten van de halfgeleidende 1H-fase naar de quasi-metallische 1T'-fase.

Tweedimensionale overgangsmetaal dichalcogeniden (2-D-TMD's) zoals monolaag molybdeendisulfide (MoS ₂ ) zijn atomair dunne halfgeleiders waarin een laag overgangsmetaalatoom is ingeklemd tussen twee lagen chalcogeenatomen, in de vorm MX2. Ze kunnen zowel in een halfgeleidende 1H-fase als in een quasi-metallische 1T'-fase voorkomen, met elk een andere kristalstructuur. De 1T'-fase is met name interessant omdat theoretische voorspellingen aantonen dat het potentieel heeft om te worden gebruikt in minder conventionele toepassingen, zoals supercondensatorelektroden en reactiekatalysatoren voor waterstofontwikkeling. Echter, de hoeveelheid 1T'-fase 2-D-TMD's die kan worden verkregen door ze vanuit de 1H-fase om te zetten via een faseovergangsproces is laag. Dit beperkt mogelijk het gebruik van dergelijke nieuwe materialen voor een breed scala aan toepassingen.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Andrew Wee van het departement Natuurkunde van de faculteit Wetenschappen van de National University of Singapore (NUS) heeft ontdekt dat hoewel verschillende 2-D-TMD-materialen hun eigen intrinsieke energiebarrières hebben bij de overgang van de 1H naar de 1T ' structurele fase, het gebruik van een metallisch substraat met een hogere chemische reactiviteit kan de opbrengst van de 1H- naar 1T'-faseovergang aanzienlijk verhogen. Dit is een handige en hoogproductieve methode om 2-D-TMD-materialen in hun 1T'-metaalfase te verkrijgen. Wanneer het 2-D-TMD-materiaal in contact wordt gebracht met het metalen substraat, zoals goud, zilver en koper, elektrische ladingen worden overgedragen van het metalen substraat naar het 2-D-TMD-materiaal. Verder, het verzwakt de hechtsterkte van de 2-D-TMD-structuur aanzienlijk, en verhoogt de grootte van de grensvlakbindingsenergie. Dit verhoogt op zijn beurt de gevoeligheid van de structurele faseovergang van 1H-1T'. Als resultaat, deze verbeterde grensvlakhybridisatie op het grensvlak van de twee materialen maakt de 1H-1T' structurele faseovergang veel gemakkelijker te bereiken.

Het NUS-onderzoeksteam combineerde meerdere experimentele technieken en eerste-principes berekeningen in hun onderzoekswerk. Deze omvatten optische spectroscopieën, hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie en dichtheidsfunctionaaltheorie gebaseerde eerste-principe berekeningen om de faseveranderingen - zowel 1H- als 1T'-fasen - van de 2-D-TMD's in de monsters te identificeren.

Deze studie biedt nieuwe inzichten over de invloed van grensvlakhybridisatie die de faseovergangsdynamiek van 2-D-TMD's beïnvloedt. De bevindingen kunnen mogelijk worden gebruikt in een modelsysteem voor de gecontroleerde groei van 2-D-TMD's op metalen substraten, het creëren van mogelijkheden voor nieuwe op 2D-TMD's gebaseerde apparaattoepassingen.

Prof Wee zei, "De beheersbaarheid van de faseovergang van halfgeleider naar metaal op de 2-D-TMD- en metaalinterfaces kan nieuwe apparaattoepassingen mogelijk maken, zoals elektroden met lage contactweerstand."