Een NIMS-onderzoeksgroep heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om monolaagfilms te synthetiseren die zijn samengesteld uit netjes betegelde tweedimensionale materialen, zoals oxide nanosheets en grafeen, op ondergronden in slechts één minuut.

Een NIMS-onderzoeksgroep onder leiding van Takayoshi Sasaki heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om monolaagfilms te synthetiseren die zijn samengesteld uit netjes betegelde tweedimensionale materialen, zoals oxide nanosheets en grafeen, op ondergronden in ongeveer een minuut. De techniek kan de industriële productie van verschillende op nanosheets gebaseerde apparaten vergemakkelijken, omdat het een eenvoudiger en sneller alternatief biedt voor het conventionele, ingewikkelde filmfabricageprocedures.

Ultieme tweedimensionale materialen met een dikte op atomaire of moleculaire schaal - weergegeven door grafeen- en oxide-nanobladen - hebben een aantal uiterst wenselijke eigenschappen (bijv. hoge geleidbaarheid, hoge diëlektrische en katalytische eigenschappen). Om deze reden, hun potentieel om technologische innovatie teweeg te brengen op een groot aantal gebieden, inclusief elektronica, milieu- en energietechnologie is langverwacht, waardoor ze wereldwijd het onderwerp zijn van actieve R&D-inspanningen. Veel tweedimensionale materialen zijn geproduceerd in colloïdale vorm (d.w.z. plaatmaterialen met breedtes binnen het micrometerbereik gedispergeerd in oplossingen). Om de eigenschappen van deze materialen ten volle te benutten voor apparaattoepassingen, een belangrijke eerste stap is om ze op een ordelijke manier te rangschikken - zoals speelkaarten - op de oppervlakken van verschillende basismaterialen. Met andere woorden, het is van cruciaal belang om een ​​techniek te ontwikkelen om hiaten en overlappingen tussen nanosheets in monolaagfilms te elimineren. Zodra een monolaagfilm met succes kan worden gesynthetiseerd, het zal mogelijk zijn om meerlagige films en superroosterfilms te synthetiseren door het monolaagse filmsyntheseproces te herhalen. Deze benadering kan mogelijk leiden tot de ontwikkeling van apparaten met diverse functies. Momenteel, de Langmuir-Blodgett (LB) -methode wordt over het algemeen gebruikt om monolagen te synthetiseren die zijn samengesteld uit netjes betegelde nanobladen. Echter, deze methode is niet praktisch voor productie op industriële schaal, omdat het bekwame manipulatie en complexe omstandigheden vereist. In aanvulling, de fabricage van films met deze methode duurt normaal gesproken ongeveer een uur. Vanwege deze problemen, er is een sterke vraag naar de ontwikkeling van eenvoudigere, snellere en meer industrieel praktische filmfabricagetechnieken.

De onderzoeksgroep slaagde erin om met een eenvoudige spin-coating-procedure in ongeveer één minuut een monolaagfilm te synthetiseren die is samengesteld uit netjes betegelde nanosheets - veel sneller dan de LB-methode. specifiek, de groep bracht een kleine hoeveelheid van een organische suspensie met oxide nanosheets of grafeen op een substraatoppervlak aan en spin-coated het substraat met geschikte rotatiesnelheden. De uitgebalanceerde combinatie van centrifugale kracht die wordt gegenereerd door het roterende substraat en de kracht die bestaat tussen de nanosheets en het substraatoppervlak, voorkomt dat de nanosheets elkaar overlappen of gaten vormen, resulterend in de vorming van gladde monolaagfilms op atomair niveau. De groep bevestigde verder dat herhaling van deze coatingprocedure het mogelijk maakt nanosheets geleidelijk in meerlagige films te gelaagd; daarom, de filmdikte kan worden geregeld in stappen van nanosheetdikte. In aanvulling, de groep heeft geverifieerd dat deze techniek toepasbaar is op tweedimensionale materialen die variëren in samenstelling en structuur, en kan worden gebruikt om films te vervaardigen op de oppervlakken van substraten die in vorm variëren, maat en materiaal. Daarom, deze filmfabricagetechniek kan als zeer veelzijdig worden beschouwd.

In dit onderzoek, de groep slaagde erin films te synthetiseren die zijn samengesteld uit netjes betegelde tweedimensionale nanosheets met behulp van een volledig nieuw mechanisme. Vanuit dit gezichtspunt, de prestatie is waardevol en academisch nieuw. In aanvulling, de techniek maakt een snelle en gemakkelijke fabricage mogelijk van monolagen en multilagen die zijn samengesteld uit netjes betegelde nanosheets - een essentieel proces bij de toepassing van nanosheetmaterialen. Daarom, de ontwikkeling van de techniek kan worden gezien als een doorbraak om de industriële productie van op nanosheets gebaseerde apparaten in de praktijk te brengen.

Een deel van deze studie werd ondersteund door de MEXT Grant-in-Aid voor een wetenschappelijk onderzoek (A) -project getiteld "Baanbrekende nieuwe functies van tweedimensionale anorganische nanobladen door meerlagige heterostructuren te vormen."

Deze studie is gepubliceerd in de online versie van wetenschappelijke vooruitgang .