science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Dreidel-achtige dislocaties leiden tot opmerkelijke eigenschappen

Tweedimensionaal molybdeen/zwavel is van bovenaf gezien een hexagonaal rooster, maar wanneer bekeken op het randje, zoals het hier is, zijn drielaagse vorm is duidelijk. Wanneer twee vellen van het materiaal elkaar ontmoeten, driedimensionale dislocaties verschijnen aan de korrelgrenzen. Wanneer de vellen elkaar ontmoeten in een hoek van 60 graden, die grenzen zijn metaalachtig, en geleidend. Krediet:Yakobson Group/Rice University

(Phys.org) - Een nieuwe materiaalstructuur die aan de Rice University is voorspeld, biedt de verleidelijke mogelijkheid van een signaalpad dat kleiner is dan de nanodraden voor geavanceerde elektronica die nu bij Rice en elders wordt ontwikkeld.

Theoretisch fysicus Boris Yakobson en postdoctoraal onderzoeker Xiaolong Zou onderzochten de eigenschappen op atomaire schaal van tweedimensionale materialen toen ze tot hun verbazing ontdekten dat een bepaalde formatie, een korrelgrens in metaaldisulfiden, creëert een metalen – en dus geleidend – pad van slechts een fractie van een nanometer breed.

Dat is eigenlijk de breedte van een keten van atomen, zei Yakobson.

De ontdekking die deze week werd gerapporteerd in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters kwam voort uit een onderzoek naar hoe atomen zich energetisch tot elkaar verhouden en topologische defecten vormen in tweedimensionale halfgeleiders. In het recente werk, De groep van Yakobson heeft defecten in grafeen geanalyseerd, de enkelvoudige koolstoflaag die intensief wordt onderzocht door laboratoria over de hele wereld.

Maar plat grafeen heeft geen band gap; elektronen stromen er recht doorheen. "Er wordt veel moeite gedaan om een ​​gat in grafeen te openen, maar dit is niet gemakkelijk, " zei Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en hoogleraar scheikunde. "Mensen proberen verschillende manieren, maar geen van hen is rechttoe rechtaan. Dit motiveerde de zoektocht naar andere tweedimensionale materialen."

Een geanimeerde illustratie toont de precieze rangschikking van atomen in één mogelijke dislocatie in tweedimensionaal molybdeen/zwavel. Dislocaties treden op wanneer twee groeiende bloemen van materiaal samenkomen onder verschillende hoeken in chemische dampafzetting. Onder een bepaalde hoek, de lijnen waarlangs deze dislocaties zich vormen, kunnen geleidend worden. Krediet:Xiaolong Zou/Rice University

Molybdeen/zwavel (of wolfraam/zwavel) materialen worden interessant voor wetenschappers omdat ze een bruikbare natuurlijke band gap hebben, ongeveer twee elektronvolt in het geval van molybdeen/zwavel. En hoewel het technisch tweedimensionale materialen zijn, de spelende energieën dwingen hun atomen in een verspringende opstelling.

"Het is complexer dan grafeen, " zei Yakobson. "Er zit een laag metaal in het midden, met zwavelatomen boven en onder, maar ze zijn volledig verbonden door covalente bindingen in een honingraatrooster, dus het is één verbinding."

Chemische dampafzetting wordt typisch gebruikt om dergelijk materiaal te laten groeien; onder hoge temperaturen vallen de atomen (zoals koolstof voor grafeen) in lijn en vormen vellen. Maar wanneer twee van zulke bloemen verschijnen en ze ontmoeten elkaar, ze staan ​​niet per se op één lijn. Waar ze samensmelten, ze vormen de zogenaamde "korrelgrenzen, "verwant aan korrels in hout die onder ongemakkelijke hoeken samenkomen. (Denk aan een tak die een boomstam raakt.) Die korrelgrenzen beïnvloeden de elektrische eigenschappen van het samengevoegde materiaal.

Zou berekende die eigenschappen op basis van de atoomenergieën van de elementen. Als we kijken naar de elementaire bindingen, de onderzoekers vonden de verwachte "dislocaties" waar de energieën atomen uit hun reguliere patronen dwingen. "Waar de lakens elkaar ontmoeten, ze kunnen geen ideale roosterstructuur hebben, dus ze hebben deze steken, de dislocaties. Elke korrelgrens is slechts een reeks van deze dislocaties, ' zei Yakobson.

Het was louter toeval dat de dislocaties dreidel-achtige vormen aannamen voor een paper dat tijdens Chanoeka werd gepubliceerd, hij zei.

"We vonden orde in deze complexiteit en chaos, de exacte structuren die mogelijk zijn aan de korrelgrenzen en de dislocatietypes, " hij zei.

The growing molybdenum/sulfur sheets can meet at any angle, and though the sheets are semiconducting, the boundaries between them generally stop electrical signals in their tracks. But at one particular angle—60 degrees—the periodic dislocations are close enough to pass signals on from one to the next along the length of the boundary. "In principe, they're metallic in this direction, " Yakobson said.

"So in the middle of these domains of semiconducting material, you have this boundary line that carries current in one direction, like a wire. And it's only a few angstroms wide, " hij zei.

"Metal disulfides may be promising for future electronic devices based on materials with reduced dimensions, " Zou said. "It is important to understand the effects of topological defects on the electronic properties as we push toward post-silicon devices."