Voor meerdere jaren, een team van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas heeft verschillende materialen onderzocht op zoek naar materialen waarvan de elektrische eigenschappen ze geschikt zouden kunnen maken voor kleine, energie-efficiënte transistors om elektronische apparaten van de volgende generatie van stroom te voorzien.

Ze hebben onlangs zo'n materiaal gevonden, maar niemand had het verwacht.

In een artikel dat op 10 maart online is gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen , Dr. Moon Kim en zijn collega's beschrijven een materiaal dat, bij verhitting tot ongeveer 450 graden Celsius, transformeert van een atomair dun, tweedimensionale plaat in een reeks eendimensionale nanodraden, elk slechts een paar atomen breed.

Een afbeelding die midden in een transformatie is gevangen, lijkt op een kleine vlag van de Verenigde Staten, en met valse kleuren toegevoegd, is misschien wel 's werelds kleinste afbeelding van Old Glory, zei Kim.

"De faseovergang die we hebben waargenomen, deze nieuwe structuur, werd niet voorspeld door de theorie, " zei Kim, de Louis Beecherl Jr. Distinguished Professor van materiaalwetenschap en techniek aan de UT Dallas.

Omdat de nanodraden halfgeleiders zijn, ze kunnen worden gebruikt als schakelapparatuur, net zoals silicium wordt gebruikt in de hedendaagse transistors om elektrische stroom in elektronische apparaten aan en uit te zetten.

"Deze nanodraden zijn ongeveer 10 keer kleiner dan de kleinste siliciumdraden, en, indien gebruikt in toekomstige technologie, zou resulteren in krachtige, energiezuinige apparaten, " zei Kim. De hoofdauteurs van de studie zijn Hui Zhu en Qingxiao Wang, afgestudeerde studenten in materiaalkunde en techniek aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science.

Gewoon een fase?

Wanneer bepaalde materialen onderhevig zijn aan veranderingen in externe omstandigheden, zoals temperatuur of druk, ze kunnen een faseovergang ondergaan. Een bekend voorbeeld is wanneer vloeibaar water wordt afgekoeld tot een vaste stof (ijs), of verhit om een ​​gas (stoom) te vormen.

Voor veel materialen echter, een faseovergang betekent iets anders. Als externe temperatuur en druk veranderen, De atomen van deze materialen herschikken en herverdelen om een ​​materiaal te maken met een andere structuur en samenstelling. Deze veranderingen kunnen de eigenschappen van het nieuwe materiaal beïnvloeden, zoals hoe elektronen er doorheen bewegen. Voor wetenschappers die geïnteresseerd zijn in nieuwe toepassingen van materialen, het begrijpen van dergelijke overgangen is van het grootste belang.

In de meeste gevallen, een type afbeelding dat een fasediagram wordt genoemd, helpt onderzoekers om structurele en eigenschapsveranderingen in een materiaal te voorspellen wanneer het een faseovergang ondergaat.

Maar niets voorspelde wat Kim's team waarnam toen het experimenten uitvoerde op een materiaal dat molybdeen ditelluride wordt genoemd.

Nanovlaggen en Nanobloemen

Met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop, de onderzoekers begonnen met atomair dunne, tweedimensionale vellen molybdeen ditelluride, een materiaal dat bestaat uit één laag molybdeenatomen en twee lagen telluuratomen. Het materiaal behoort tot een klasse die overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) wordt genoemd, die veelbelovend zijn in het vervangen van silicium in transistors.

"We wilden de thermische stabiliteit van dit specifieke materiaal begrijpen, " zei Kim. "We dachten dat het een goede kandidaat was voor nano-elektronica van de volgende generatie. Uit nieuwsgierigheid, we gingen kijken of het stabiel zou zijn boven kamertemperatuur."

Toen ze de temperatuur verhoogden tot boven de 450 graden Celsius, er gebeurden twee dingen.

"Eerst, we zagen een nieuw patroon ontstaan ​​dat esthetisch aangenaam was voor het oog, ' zei Kim. Over het oppervlak van het monster, de herhalende rijen, of strepen, van molybdeen ditelluride lagen begonnen te transformeren in vormen die eruitzagen als kleine zespuntige sterren, of bloemen met zes bloembladen.

Het materiaal ging over in hexa-molybdeen hexa-telluride, een eendimensionale draadachtige structuur. De dwarsdoorsnede van het nieuwe materiaal is een structuur bestaande uit zes centrale atomen molybdeen omgeven door zes atomen tellurium.

Naarmate de faseovergang vorderde, een deel van het monster was nog steeds "strepen" en een deel was "sterren" geworden. Het team dacht dat het patroon eruitzag als een vlag van de Verenigde Staten. Ze maakten een versie in valse kleuren met een blauw veld achter de sterren en de helft van de strepen rood gekleurd, om een ​​"nanoflag" te maken.

Niet in de studieboeken

"Vervolgens, toen we het materiaal nader bekeken, we ontdekten dat de overgang die we zagen van 'strepen' naar 'sterren' niet in een van de fasediagrammen was, ' zei Kim. 'Normaal gesproken, wanneer u bepaalde materialen opwarmt, je verwacht een ander soort materiaal te zien verschijnen zoals voorspeld door een fasediagram. Maar in dit geval, er gebeurde iets ongewoons - het vormde een geheel nieuwe fase."

Elke individuele nanodraad is een halfgeleider, wat betekent dat elektrische stroom die door de draad gaat, kan worden in- en uitgeschakeld, zei Kim. Wanneer veel van de individuele nanodraden in bulk worden gegroepeerd, gedragen ze zich meer als een metaal, die gemakkelijk stroom geleidt.

"We zouden de nanodraden één voor één willen gebruiken omdat we de grootte van een transistor zo klein mogelijk maken, ' zei Kim. 'Momenteel, de kleinste transistorgrootte is ongeveer 10 keer groter dan onze nanodraad. Elk van ons is kleiner dan 1 nanometer in diameter, wat in wezen een draad op atomaire schaal is.

"Voordat we deze ontdekking kunnen gebruiken en een echt apparaat kunnen maken, we hebben nog veel meer studies te doen, inclusief het bepalen hoe de afzonderlijke nanodraden moeten worden gescheiden, en het overwinnen van technische uitdagingen voor productie en massaproductie, ' zei Kim. 'Maar dit is een begin.'