Een internationaal samenwerkingsverband van onderzoekers heeft computersimulaties gebruikt om de minimale dunheid van een plak zout te vinden om het op te breken in grafeenachtige lagen. Op basis van de computersimulatie, ze hebben de vergelijking afgeleid voor het aantal lagen in een kristal dat ultradunne films zal produceren met toepassingen in nano-elektronica. Hun bevindingen waren binnen The Journal of Physical Chemistry Letters .

Van 3D naar 2D

Unieke monoatomaire dikte van grafeen maakt het een aantrekkelijk en nuttig materiaal. Het kristalrooster lijkt op een honingraat, omdat de bindingen tussen de samenstellende atomen regelmatige zeshoeken vormen. Grafeen is een enkele laag van een driedimensionaal grafietkristal en zijn eigenschappen (evenals eigenschappen van elk 2D-kristal) zijn radicaal anders dan zijn 3D-tegenhanger. Sinds de ontdekking van grafeen, er is veel onderzoek gedaan naar nieuwe tweedimensionale materialen met intrigerende eigenschappen. Ultradunne films hebben ongebruikelijke eigenschappen die nuttig kunnen zijn voor toepassingen zoals nano- en micro-elektronica.

Eerdere theoretische studies hebben gesuggereerd dat films met een kubische structuur en ionische binding spontaan kunnen worden omgezet in een gelaagde hexagonale grafietstructuur in wat bekend staat als grafitisering. Voor sommige stoffen is deze omzetting is experimenteel waargenomen. Er werd voorspeld dat steenzout NaCl een verbinding zou kunnen zijn met neiging tot grafitisering. Grafitisering van kubische verbindingen zou nieuwe en veelbelovende structuren kunnen opleveren voor toepassingen in nano-elektronica. Echter, geen enkele theorie heeft dit proces verklaard met een willekeurige kubische verbinding of voorspellingen gedaan over de omzetting ervan in grafeenachtige zoutlagen.

Om grafitisering te laten optreden, de kristallagen moeten worden verkleind langs de hoofddiagonaal van de kubische structuur. Dit zou ertoe leiden dat het ene kristaloppervlak bestaat uit natriumionen en het andere uit chloride-ionen. Het is belangrijk op te merken dat positieve en negatieve ionen - en niet neutrale atomen - de roosterpunten van de structuur innemen. Dit genereert ladingen van tegengestelde tekens op de twee oppervlakken. Zolang de oppervlakken ver van elkaar verwijderd zijn, alle kosten vervallen, en de zoutplaat toont een voorkeur voor een kubische structuur. Echter, een voldoende dunne film geeft aanleiding tot een groot dipoolmoment vanwege de tegengestelde ladingen van de twee kristaloppervlakken. De structuur probeert van het dipoolmoment af te komen, waardoor de energie van het systeem toeneemt. Om de oppervlakken ladingsneutraal te maken, het kristal ondergaat een herschikking van atomen.

Experiment versus model

Om te bestuderen hoe grafitiseringstendensen variëren, afhankelijk van de verbinding, de onderzoekers onderzochten 16 binaire verbindingen met de algemene formule AB, waarbij A staat voor een van de vier alkalimetalen lithium Li, natrium Na, kalium K, en rubidium Rb. Dit zijn zeer reactieve elementen die voorkomen in groep 1 van het periodiek systeem. De B ​​in de formule staat voor een van de vier halogenen fluor F, chloor Cl, broom Br, en jodium I. Deze elementen bevinden zich in groep 17 van het periodiek systeem en reageren gemakkelijk met alkalimetalen.

Alle verbindingen in deze studie hebben een aantal structuren, ook bekend als kristalroosters of fasen. Als de atmosferische druk wordt verhoogd tot 300, 000 keer zijn normale waarde, een andere fase (B2) van NaCl (weergegeven door het gele gedeelte van het diagram) wordt stabieler, een verandering in het kristalrooster teweegbrengen. Om hun keuze van methoden en parameters te testen, de onderzoekers simuleerden twee kristalroosters en berekenden de druk die overeenkomt met de faseovergang daartussen. Hun voorspellingen komen overeen met experimentele gegevens.

Hoe dun moet het zijn?

De verbindingen binnen de reikwijdte van deze studie kunnen allemaal een zeshoekige, "grafische" G-fase (het rood in het diagram) die onstabiel is in 3D-bulk maar de meest stabiele structuur wordt voor ultradunne (2-D of quasi-2-D) films. De onderzoekers identificeerden de relatie tussen de oppervlakte-energie van een film en het aantal lagen erin voor zowel kubische als hexagonale structuren. Ze maakten een grafiek van deze relatie door twee lijnen met verschillende hellingen uit te zetten voor elk van de bestudeerde verbindingen. Elk paar lijnen geassocieerd met één verbinding heeft een gemeenschappelijk punt dat overeenkomt met de kritische plaatdikte die conversie van een kubusvormige naar een zeshoekige structuur energetisch gunstig maakt. Bijvoorbeeld, het kritische aantal lagen bleek bijna 11 te zijn voor alle natriumzouten en tussen 19 en 27 voor lithiumzouten.

Op basis van deze gegevens, de onderzoekers legden een verband tussen het kritische aantal lagen en twee parameters die de sterkte van de ionbindingen in verschillende verbindingen bepalen. De eerste parameter geeft de grootte van een ion van een bepaald metaal aan - zijn ionische straal. De tweede parameter wordt elektronegativiteit genoemd en is een maat voor het vermogen van het atoom om de elektronen van element B aan te trekken. Hogere elektronegativiteit betekent een krachtigere aantrekking van elektronen door het atoom, een meer uitgesproken ionische aard van de binding, een grotere oppervlakte dipool, en een lagere kritische plaatdikte.

Pavel Sorokin, hoofd van het Laboratory of New Materials Simulation bij TISNCM zegt:"Dit werk heeft onze collega's uit Israël en Japan al aangetrokken. Als ze onze bevindingen experimenteel bevestigen, dit fenomeen [van grafitisering] zal een haalbare route bieden voor de synthese van ultradunne films met mogelijke toepassingen in nano-elektronica."

De wetenschappers zijn van plan de reikwijdte van hun studies te verbreden door andere verbindingen te onderzoeken. Ze geloven dat ultradunne films van verschillende samenstelling ook spontane grafitisering kunnen ondergaan, wat nieuwe gelaagde structuren oplevert met eigenschappen die nog intrigerender zijn.