Kenmerkend voor de thermische eigenschappen van kristallijn molybdeendisulfide, een belangrijk tweedimensionaal (2-D) materiaal, uitdagend is gebleken. Nu hebben onderzoekers van A*STAR een eenvoudige techniek ontwikkeld die de weg zou kunnen effenen voor gebruik in een breed scala aan nieuwe toepassingen in energieopslag, opto-elektronische en flexibele elektronische apparaten.

Zeshoekig molybdeendisulfide (MoS2), een van de dichalcogeniden - een familie van halfgeleidende overgangsmetalen - heeft veel aandacht getrokken als een tweedimensionaal (2-D) materiaal dankzij zijn opmerkelijke elektronische en opto-elektronische eigenschappen. Het valt ook op door zijn indrukwekkende kracht en flexibiliteit, die voortkomen uit het hexagonale rooster van molybdeenatomen ingeklemd tussen lagen zwavelatomen.

Het bepalen van de thermische eigenschappen van MoS2 is de sleutel tot het ontsluiten van zijn verbazingwekkende eigenschappen, maar de complexe geometrie en de vele vereiste berekeningen voor fononen - de verschillende trillingsmodi van atomen in een kristalrooster - zijn een kostbaar en tijdrovend rekenproces.

Chee Kwan Gan en Yu Yang Fredrik Liu van het A*STAR Institute of High Performance Computing hebben nu een numerieke techniek ontwikkeld die het aantal berekeningen drastisch vermindert, waardoor de thermische uitzettingscoëfficiënt - die bepaalt hoe hun vorm en grootte veranderen als reactie op temperatuurveranderingen - van MoS2-kristallen nauwkeurig en efficiënt kan worden berekend, en kan ook worden toegepast op andere belangrijke 2D-materialen.

"Denk aan een fonon als een deeltje gebonden aan een veer, waar het trilt met een vast patroon op een vaste frequentie, " legt Gan uit. "Er zijn veel fonon-modi in een kristal zoals molybdeendisulfide, en de uitdaging is om ze allemaal te berekenen."

Door een kristal van MoS2 te vervormen de onderzoekers bepaalden de verandering in frequentie voor elk fonon in de roosterstructuur, en door een numerieke methode toe te passen, gebaseerd op de storingstheorie, naar deze veranderde frequenties; ze waren in staat om de thermische eigenschappen van het kristal te schatten, bekend als de Grüneisen-parameters. Deze parameters werden vervolgens gebruikt om de thermische uitzettingscoëfficiënten voor hexagonaal MoS2 te berekenen.

"Onze methode gebruikt de volledige symmetrie van de hexagonale structuur om de hoeveelheid berekeningen te verminderen tot slechts vier sets fonon-berekeningen in vergelijking met quasi-harmonische benadering - de traditionele benadering - waarvoor veel meer nodig is, ' zegt Gan.

Het werk presenteert, Voor de eerste keer, een nauwkeurige en eenvoudige methode voor het bepalen van de thermische eigenschappen van MoS2, en biedt een dieper begrip van thermische geleiding in 2D-materialen.

"Ons doel op lange termijn is om de benadering uit te breiden naar andere technologisch belangrijke halfgeleiders, tweedimensionale materialen, zoals bismutselenide, ' zegt Gan.