Wetenschappers van de Rice University hebben ontdekt dat een atoomdik materiaal dat op zoek is naar flexibele elektronica en optische apparaten van de volgende generatie brozer is dan ze hadden verwacht.

Het Rice-team onder leiding van materiaalwetenschapper Jun Lou testte de treksterkte van tweedimensionale, halfgeleidend molybdeendiselenide en ontdekte dat gebreken zo klein als één ontbrekend atoom catastrofale scheurvorming onder spanning kunnen veroorzaken.

Het teamrapport verschijnt deze maand in Geavanceerde materialen .

De bevinding kan ertoe leiden dat de industrie zorgvuldiger kijkt naar de eigenschappen van 2D-materialen voordat ze in nieuwe technologieën worden verwerkt, hij zei.

"Het blijkt dat niet alle 2D-kristallen gelijk zijn, " zei Lou, een Rice hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering. "Grafeen is veel robuuster in vergelijking met sommige van de andere waarmee we nu te maken hebben, zoals dit molybdeendiselenide. We denken dat het iets te maken heeft met defecten die inherent zijn aan deze materialen."

De defecten kunnen zo klein zijn als een enkel atoom dat een leegte laat in de kristallijne structuur, hij zei. "Het is heel moeilijk om ze op te sporen, " zei hij. "Zelfs als een cluster van vacatures een groter gat maakt, het is moeilijk te vinden met behulp van een techniek. Het is misschien mogelijk om ze te zien met een transmissie-elektronenmicroscoop, maar dat zou zo arbeidsintensief zijn dat het niet nuttig zou zijn."

Molybdeendiselenide is een dichalcogenide, een tweedimensionaal halfgeleidend materiaal dat van bovenaf lijkt op een grafeenachtige hexagonale reeks, maar in feite een sandwich is van metaalatomen tussen twee lagen chalcogeenatomen, in dit geval, selenium. Molybdeendiselenide wordt overwogen voor gebruik als transistors en in zonnecellen van de volgende generatie, fotodetectoren en katalysatoren, evenals elektronische en optische apparaten.

Lou en collega's maten de elasticiteitsmodulus van het materiaal, de hoeveelheid rek die een materiaal aankan en toch terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat, bij 177,2 (plus of min 9,3) gigapascal. Grafeen is meer dan vijf keer zo elastisch. Ze schreven de grote variatie toe aan reeds bestaande gebreken tussen 3,6 en 77,5 nanometer.

Zijn breuksterkte, de hoeveelheid rek die een materiaal aankan voordat het breekt, werd gemeten op 4,8 (plus of min 2,9) gigapascal. Grafeen is bijna 25 keer sterker.

Een deel van het project onder leiding van Rice postdoctoraal onderzoeker Yingchao Yang vereiste het verplaatsen van molybdeendiselenide van een groeikamer in een oven voor chemische dampafzetting naar een microscoop zonder meer defecten te introduceren. Yang loste het probleem op door een droog overdrachtsproces te gebruiken in plaats van een standaard zuurwassing die de monsters zou hebben verpest.

Om monsters te testen, Yang plaatste rechthoeken van molybdeendiselenide op een gevoelig elektronenmicroscoopplatform, uitgevonden door de Lou-groep. Natuurlijke van der Waals-krachten hielden de monsters op hun plaats op verende cantileverarmen die de uitgeoefende spanning maten.

Lou zei dat de groep probeerde de breuktaaiheid van het materiaal te meten, een indicator van hoe waarschijnlijk het is dat scheuren zich zullen voortplanten, zoals ze hadden in een eerdere studie over grafeen. Maar ze ontdekten dat het voorsnijden van scheuren in molybdeendiselenide ertoe leidde dat het verbrijzelde voordat er spanning kon worden uitgeoefend. hij zei.

"De belangrijke boodschap van dit werk is de broze aard van deze materialen, " zei Lou. "Veel mensen denken erover om 2D-kristallen te gebruiken omdat ze van nature dun zijn. Ze denken aan flexibele elektronica omdat het halfgeleiders zijn en hun theoretische elastische sterkte heel hoog zou moeten zijn. Volgens onze berekeningen ze kunnen worden uitgerekt tot 10 procent.

"Maar in werkelijkheid, vanwege de inherente gebreken, je kunt zelden zoveel kracht bereiken. De monsters die we tot nu toe hebben getest, braken op maximaal 2 tot 3 procent (van het theoretische maximum), " zei Lou. "Dat zou nog steeds goed moeten zijn voor de meeste flexibele toepassingen, maar tenzij ze een manier vinden om de gebreken te blussen, het zal heel moeilijk zijn om de theoretische limieten te bereiken."