Door atoomketens te creëren in een tweedimensionaal kristal, onderzoekers van Penn State geloven dat ze een manier hebben gevonden om de richting van materiaaleigenschappen in twee- en driedimensionale kristallen te controleren met implicaties voor detectie, opto-elektronica en elektronische toepassingen van de volgende generatie.

Of een legering een willekeurige rangschikking van atomen heeft of een rangschikking die is geordend, kan grote effecten hebben op de eigenschappen van een materiaal. In een paper dat online is gepubliceerd in Nano-letters , Nasim Alem, assistent-professor materiaalkunde en techniek, en collega's van Penn State gebruikten een combinatie van simulaties en scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) beeldvorming om de atomaire structuur van een geordende legering van molybdeen te bepalen, wolfraam en zwavel. Ze stelden vast dat fluctuaties in de hoeveelheid beschikbare zwavel verantwoordelijk waren voor het ontstaan ​​van atoomketens van molybdeen of wolfraam.

"We ontdekten hoe ketens zich vormen in een tweedimensionale legering als gevolg van fluctuaties in de hoeveelheid van een bepaalde voorloper, in dit geval zwavel, "zei Alem. "Normaal gesproken, wanneer we atomen van verschillende elementen combineren, we weten niet hoe we kunnen bepalen waar de atomen naartoe gaan. Maar we hebben een mechanisme gevonden om orde te scheppen in de atomen, die op zijn beurt controle over de eigenschappen introduceert, niet alleen warmtetransport, zoals het geval is in dit werk, maar ook elektronische chemische of magnetische eigenschappen in andere legeringsgevallen. Als je het mechanisme kent, je kunt het toepassen om de atomen in een breed scala aan legeringen in 2D-kristallen in het periodiek systeem te rangschikken."

In het geval van molybdeen, wolfraam en zwavellegering, toonden de onderzoekers aan dat de elektronische eigenschappen in alle richtingen hetzelfde waren, maar met behulp van simulaties, ze voorspellen dat de thermische transporteigenschappen loodrecht op de kettingen of strepen kleiner zijn.

"We wisten niet waarom dit kristal een geordende structuur vormt, dus we werkten samen met mijn collega Dr. Vin Crespi om de onderliggende fysica te begrijpen die orde in dit kristal veroorzaakt, "zei Alem. "Onze berekeningen laten zien dat het de fluctuaties in het derde element waren, zwavel, dat was bepalend voor hoe de ketens werden gevormd."

Vincent H. Crespi, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, en hoogleraar scheikunde en materiaalkunde en techniek, die het theoretische begrip van het fenomeen ontwikkelde, zei, "Hoewel het binnenste van de vlok onverschillig is of molybdeen of wolfraam een ​​plaats in het kristalrooster inneemt, de rand van het groeiende kristal maakt het wel uit:afhankelijk van hoeveel zwavel er op een bepaalde plaats beschikbaar is, de rand zal bij voorkeur 100 procent molybdeen of 100 procent wolfraam zijn. Dus omdat de beschikbaarheid van zwavel willekeurig varieert tijdens de groei, het systeem legt afwisselend rijen molybdeen of wolfraam neer. We denken dat dit een algemeen mechanisme kan zijn om streepachtige structuren in 2D-materialen te creëren."

Amin Aziz, een doctoraat kandidaat in de groep van Alem en hoofdauteur, produceerde de STEM-beeldvorming en spectroscopie die de fijne atomaire structuur van de legeringsmonsters en hun elektronische eigenschappen liet zien.

"Als we de constitutieve atomen van een stof direct kunnen afbeelden, zien hoe ze op atomair niveau met elkaar omgaan en proberen de oorsprong van dergelijk gedrag te begrijpen, we zouden mogelijk nieuwe materialen kunnen creëren met ongebruikelijke eigenschappen die nooit hebben bestaan, ' zei Aziz.

Een team onder leiding van Mauricio Terrones, hoogleraar natuurkunde, produceerde monsters van deze bestelde legering door poeders van alle drie de elementen te verdampen, voorlopers genoemd, onder hoog vuur.