Zullen één atoom dikke lagen molybdeendisulfide, een verbinding die van nature in gesteenten voorkomt, beter blijken te zijn dan grafeen voor elektronische toepassingen? Er zijn veel tekenen die het geval kunnen blijken te zijn. Maar natuurkundigen van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Warschau hebben aangetoond dat de aard van de verschijnselen die zich voordoen in gelaagde materialen nog steeds niet worden begrepen en verder onderzoek vereisen.

Grafeen is al geprezen als de toekomst van de elektronica. Gebouwd uit zes-atoom koolstof ringen gerangschikt in een honingraat-achtige structuur, het vormt uiterst veerkrachtige platen van slechts één atoom dik. Echter, we kennen wel andere materialen die een gelijkaardige, gelaagde structuur. belangrijk, Sommigen van hen, zoals molybdeendisulfide, hebben eigenschappen die net zo intrigerend zijn als die van grafeen.

Onderzoekers van de Universiteit van Warschau, Faculteit der Natuurkunde (FUW) heeft aangetoond dat de verschijnselen die optreden in het kristalnetwerk van molybdeendisulfideplaten van een iets andere aard zijn dan eerder werd gedacht. Een rapport waarin de ontdekking wordt beschreven, gerealiseerd in samenwerking met Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble, is onlangs gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven .

"Het zal niet mogelijk worden om complexe elektronische systemen te bouwen die bestaan ​​uit afzonderlijke atoomplaten totdat we een voldoende goed begrip hebben van de fysica die betrokken is bij de verschijnselen die plaatsvinden in het kristalnetwerk van die materialen. Ons onderzoek toont aan, echter, dat onderzoek op dit gebied nog een lange weg te gaan heeft", zegt prof. Adam Babiński van de faculteit Natuurkunde van de UW.

De eenvoudigste methode om grafeen te maken, wordt exfoliatie genoemd:een stuk plakband wordt eerst op een stuk grafiet geplakt, vervolgens afgepeld. Onder de deeltjes die aan de tape blijven plakken, men kan microscopisch kleine lagen grafeen vinden. Dit komt omdat grafiet bestaat uit veel grafeenplaten die naast elkaar liggen. De koolstofatomen in elke laag zijn zeer sterk aan elkaar gebonden (door covalente bindingen, waaraan grafeen zijn legendarische veerkracht te danken heeft), maar de afzonderlijke lagen worden bij elkaar gehouden door aanzienlijk zwakkere bindingen (van de Walls-bindingen). Gewone plakband is sterk genoeg om de laatste te breken en om afzonderlijke grafeenvellen van het grafietkristal te scheuren.

Een paar jaar geleden werd opgemerkt dat net zoals grafeen kan worden gewonnen uit grafiet, platen van één atoom dik kunnen op dezelfde manier worden verkregen uit vele andere kristallen. Dit is gelukt, bijvoorbeeld, met overgangsmetalen chalcogeniden (sulfiden, seleniden, en telluriden). Lagen van molybdeendisulfide (MoS2), vooral, hebben bewezen een zeer interessant materiaal te zijn. Deze verbinding komt in de natuur voor als molybdeniet, een kristalmateriaal gevonden in rotsen over de hele wereld, vaak in de karakteristieke vorm van zilverkleurige zeshoekige platen. Molybdeniet wordt al jaren gebruikt bij de productie van smeermiddelen en metaallegeringen. Zoals in het geval van grafiet, de eigenschappen van single-atom platen van MoS2 bleven lang onopgemerkt.

Vanuit het oogpunt van toepassingen in de elektronica, molybdeendisulfideplaten hebben een belangrijk voordeel ten opzichte van grafeen:ze hebben een energiekloof, een energiebereik waarbinnen geen elektronentoestanden kunnen bestaan. Door elektrisch veld toe te passen, het materiaal kan worden geschakeld tussen een toestand die elektriciteit geleidt en een toestand die zich als een isolator gedraagt. Volgens de huidige berekeningen een uitgeschakelde molybdeendisulfidetransistor zou zelfs maar enkele honderdduizenden keer minder energie verbruiken dan een siliciumtransistor. grafeen, anderzijds, heeft geen energiekloof en transistors van grafeen kunnen niet volledig worden uitgeschakeld.

Waardevolle informatie over de structuur van een kristal en de verschijnselen die zich daarin voordoen, kan worden verkregen door te analyseren hoe licht in het materiaal wordt verstrooid. Fotonen van een bepaalde energie worden meestal geabsorbeerd door de atomen en moleculen van het materiaal, vervolgens opnieuw uitgezonden met dezelfde energie. In het spectrum van het verstrooide licht kan men dan een kenmerkende piek zien, overeenkomt met die energie. Het blijkt, echter, dat één op de vele miljoenen fotonen een deel van zijn energie anders kan gebruiken, bijvoorbeeld om de vibratie of circulatie van een molecuul te veranderen. De omgekeerde situatie doet zich soms ook voor:een foton kan een deel van de energie van een molecuul wegnemen, en dus neemt zijn eigen energie iets toe. In deze situatie, bekend als Raman-verstrooiing, twee kleinere pieken worden waargenomen aan weerszijden van de hoofdpiek.

De wetenschappers van de UW Faculteit der Natuurkunde analyseerden de Raman-spectra van molybdeendisulfide met microscopische metingen bij lage temperatuur. Door de hogere gevoeligheid van de apparatuur en de gedetailleerde analysemethoden kon het team een ​​nauwkeuriger model voorstellen van de verschijnselen die optreden in het kristalnetwerk van molybdeendisulfide.

"In het geval van enkellaagse materialen, de vorm van de Raman-lijnen is eerder verklaard in termen van verschijnselen waarbij bepaalde karakteristieke trillingen van het kristalnetwerk betrokken zijn. We hebben voor molybdeendisulfideplaten aangetoond dat de effecten die aan die trillingen worden toegeschreven eigenlijk, althans gedeeltelijk, te wijten zijn aan andere netwerktrillingen die niet eerder in aanmerking zijn genomen", legt Katarzyna Gołasa uit, een promovendus aan de Faculteit der Natuurkunde van UW.

De aanwezigheid van het nieuwe type trilling in losse plaatmaterialen heeft invloed op het gedrag van elektronen. Als gevolg hiervan, deze materialen moeten enigszins andere elektronische eigenschappen hebben dan eerder werd verwacht.

"Grafeen was de eerste. Zijn unieke eigenschappen hebben geleid tot een aanzienlijke, nog steeds groeiende belangstelling van wetenschappers en ook van de industrie. Echter, we mogen andere enkellaagse materialen niet vergeten. Als we ze goed bestuderen, ze kunnen voor veel toepassingen beter blijken te zijn dan grafeen", Prof. Babiński zegt.

Natuur- en Sterrenkunde verscheen voor het eerst aan de Universiteit van Warschau in 1816, onder de toenmalige Faculteit der Wijsbegeerte. In 1825 werd het Astronomisch Observatorium opgericht. Momenteel, de instituten van de Faculteit der Natuurkunde omvatten Experimentele Natuurkunde, Theoretische fysica, Geofysica, Afdeling wiskundige methoden en een astronomisch observatorium. Onderzoek bestrijkt bijna alle gebieden van de moderne natuurkunde, op schalen van het kwantum tot het kosmologische. Het onderzoeks- en onderwijzend personeel van de faculteit omvat ca. 200 universitaire docenten, waarvan bijna 80 medewerkers met de titel hoogleraar. De Faculteit der Natuurkunde, Universiteit van Warschau, wordt bijgewoond door ca. 1000 studenten en meer dan 140 doctoraatsstudenten.