Een team van wetenschappers van de National University of Singapore (NUS) heeft met succes een methode ontwikkeld om molybdeendisulfidekristallen chemisch te exfoliëren, een klasse van chalcogenideverbindingen, tot hoogwaardige monolaagvlokken, met een hogere opbrengst en grotere vlokgrootte dan de huidige methoden. Van de geëxfolieerde vlokken kan een afdrukbare oplossing worden gemaakt, die kunnen worden toegepast in printbare fotonica en elektronica.

Deze doorbraak, onder leiding van professor Loh Kian Ping, hoofd van de afdeling Scheikunde van de NUS-faculteit Bètawetenschappen, en is ook hoofdonderzoeker bij het Graphene Research Centre van de faculteit, heeft generieke toepasbaarheid op andere tweedimensionale chalcogeniden, zoals wolfraamdiselenide en titaniumdisulfide, en resulteert in exfoliatie met een hoog rendement voor al deze tweedimensionale materialen.

Het NUS-team werkte samen met wetenschappers van het Ulsan National Institute of Wetenschap en technologie in Korea, en de bevindingen werden voor het eerst online gepubliceerd in een prestigieus wetenschappelijk tijdschrift Natuurcommunicatie op 2 januari 2014.

Vraag naar een zeer efficiënte exfoliatiemethode

Overgangsmetaal dichalcogeniden, gevormd door een combinatie van chalcogenen, zoals zwavel of selenium, en overgangsmetalen, zoals molybdeen of wolfraam, hebben onlangs veel aandacht getrokken als de volgende generatie tweedimensionale materialen vanwege hun unieke elektronische en optische eigenschappen, voor toepassingen in opto-elektronische apparaten zoals dunne film solars, fotodetectoren flexibele logische circuits en sensoren.

Echter, huidige processen voor het produceren van bedrukbare enkellaagse chalcogeniden duren lang en de opbrengst is slecht. De geproduceerde vlokken zijn van submicron grootte, waardoor het een uitdaging is om een ​​enkel blad te isoleren voor het maken van elektronische apparaten.

Aangezien de meeste toepassingen schone en grote vlokken vereisen, dit wijst op een duidelijke behoefte om nieuwe manieren te verkennen om hoogwaardige enkellaags overgangsmetaaldichalcogeniden te maken met een hoge opbrengst.

Doorbraak in productie

Om het productieprobleem aan te pakken, het NUS-team onderzocht de metaaladducten van naftaleen. Ze maakten naftaleenadducten van lithium, natrium en kalium, en vergeleek de exfoliatie-efficiëntie en kwaliteit van het gegenereerde molybdeendisulfide. De verwerkingsstappen staan ​​beschreven in de bijlage.

Met behulp van een tweestaps expansie- en intercalatiemethode, de onderzoekers waren in staat om enkellaagse molybdeendisulfideplaten van hoge kwaliteit te produceren met een ongekend grote vlokgrootte.

De onderzoekers toonden ook aan dat van de geëxfolieerde molybdeendisulfidevlokken een afdrukbare oplossing kan worden gemaakt, en wafelformaat films kunnen worden bedrukt, omdat de goede dispersie en hoge viscositeit van de vlokken het zeer geschikt maken voor inkjetprinten.

In een vergelijkende analyse, Dr Zheng Jian, de eerste auteur van het artikel, die ook een Research Fellow is bij de afdeling Scheikunde van de NUS Faculty of Science, vond dat de toegepaste alkalimetaalnaftaleen-intercalatiemethode significante voordelen bezit in vergelijking met de conventionele methode.

In een commentaar op de betekenis van de bevindingen, Prof Loh zei:"Momenteel, er is een knelpunt in de ontwikkeling van in oplossing verwerkte tweedimensionale chalcogeniden. Ons team heeft een alternatief exfoliërend middel ontwikkeld dat gebruik maakt van de organische zouten van naftaleen en deze nieuwe methode is efficiënter dan eerdere op oplossingen gebaseerde methoden. Het kan ook worden toegepast op andere klassen van tweedimensionale chalcogeniden."

"Gezien de veelzijdigheid van deze methode, het kan worden aangenomen als de nieuwe maatstaf in de exfoliatiechemie van tweedimensionale chalcogeniden, " hij voegde toe.

Verder onderzoek naar afdrukbare apparaten

Het snelgroeiende veld van gedrukte fotonica, elektronica en opto-elektronica eisen een hoge materiaalkwaliteit, nauwkeurige materiële afzetting, en toepassingsspecifieke optische, elektrisch, chemisch, en mechanische eigenschappen.

Om hun onderzoek te bevorderen en tegemoet te komen aan de industrie, Prof Loh en zijn team zullen kijken naar de ontwikkeling van inkten op basis van verschillende soorten tweedimensionale chalcogeniden die geëxfolieerd zijn met hun nieuwe methode om afdrukbare opto-elektronische apparaten te produceren. Ze zullen ook de optische niet-lineaire eigenschappen testen van de flakes die ze hebben geproduceerd.