Vooruit springen in een rij is onbeleefd, maar soms is het acceptabel. Vooral voor zout.

Het Rice University-lab van materiaaltheoreticus Boris Yakobson laat zien waarom in de follow-up van een onderzoek uit 2018 dat aantoonde hoe zout de vorming van waardevol 2D-molybdeendisulfide vereenvoudigt (MoS₂ ) met een eerste-principeanalyse van het proces die het nog verder zou kunnen verfijnen.

De theoretische studie door Yakobson en collega's Jincheng Lei, Yu Xie en Alex Kutana, alle alumni van zijn laboratorium, en onderzoeker Ksenia Bets laat door middel van de simulatie van energieën op atoomniveau zien waarom zout, met name gejodeerd zout, de reactietemperatuur in een chemische damp verlaagt depositie (CVD) oven nodig om MoS₂ . te vormen .

Het doet dit door te helpen bij het overslaan van enkele stappen en het overbruggen van hoge energiebarrières in conventionele CVD-groei om veel meer MoS₆ op te leveren , een essentiële voorloper van 2D MoS₂ .

Hun studie in het Journal of the American Chemical Society gericht op hoe zout activeringsbarrières verlaagt om de zwavelvorming van molybdeenoxyhalogeniden, de gasgrondstof in MoS₂, te verbeteren kristallisatie.

MoS₂ is een natuurlijke verbinding die in bulkvorm bekend staat als molybdeniet en in 2D-vorm zeer begeerd is vanwege zijn halfgeleidende eigenschappen, die vooruitgang beloven in elektronische, opto-elektronische, spintronische, katalytische en medische toepassingen. Maar 2D MoS₂ blijft moeilijk in commerciële hoeveelheden te produceren.

Het Rice-team kwam voor het eerst in de strijd toen laboratoria in Singapore, China, Japan en Taiwan zout gebruikten om een ​​"bibliotheek" te maken van 2D-materialen die overgangsmetalen en chalcogenen combineerden. Waarom het zo goed werkte, was een raadsel, waardoor ze een beroep deden op de expertise van het Yakobson-lab in het modelleren van materialen - zelfs alleen theoretische - vanaf de grond af.

Hun uitgebreide modellen laten zien dat, hoewel de internationale laboratoria chloridezouten gebruikten om hun bibliotheek met materialen te maken, de jodidezouten die gewoonlijk op keukentafels worden aangetroffen, de synthese van MoS₂ beter kunnen versnellen. .

"Snelle en grootschalige synthese is noodzakelijk voor de wijdverbreide toepassing van MoS₂ ', zegt Lei. 'We hebben het hele groeiproces zorgvuldig bestudeerd, in de hoop het zoveel mogelijk te optimaliseren. Het bleek dat door simpelweg chloride te veranderen in jodide, men MoS₂ . kon synthetiseren veel sneller bij nog lagere groeitemperaturen."

Dit gebeurt wanneer zout en de voorloper een eutectisch middel vormen, een mengsel van stoffen die smelten en stollen bij een enkele temperatuur die lager is dan het smeltpunt van de bestanddelen.

"Nadat werd aangetoond dat zoutondersteunde synthese de groei van veel meer TMD-verbindingen (transitiemetaaldichalcogenide) mogelijk maakte dan voorheen mogelijk was en de groeiomstandigheden voor eerder gesynthetiseerde verbindingen aanzienlijk verbeterde, werd het duidelijk dat dit proces iets speciaals heeft", zegt Bets. zei.

"Sommige experimentele groepen probeerden verder te onderzoeken, maar het monitoren van de moleculaire samenstelling van de gasfase onder groeiomstandigheden is geen eenvoudige taak", zei ze. "Zelfs dan kun je niet het hele plaatje zien.

"We waren zeer grondig en volgden het werk van Jincheng op aan het mechanisme van conventionele MoS₂ groei. We hebben alle onderdelen van het proces gesimuleerd, van zwaveling tot de 2D-kristalgroei. Deze alomvattende aanpak heeft zijn vruchten afgeworpen."

In simulaties observeerde het Rice-team direct het hele zwavelingsproces toen zuurstof- en chlooratomen geleidelijk werden vervangen door zwavel in MoO₂ Cl₂ , een veel voorkomende voorloper, onder CVD-omstandigheden.

Het laboratorium zei dat het eutectische effect een veelvoorkomend fenomeen kan zijn in de CVD-synthese van 2D-dichalcogenide-monolagen, en daarom de moeite waard is om verder te bestuderen. + Verder verkennen

Lab kijkt in 2D-kristalsynthese