Rice University-onderzoekers hebben geleerd om tweedimensionale materialen te manipuleren om defecten te ontwerpen die de eigenschappen van de materialen verbeteren.

Het Rice-lab van theoretisch fysicus Boris Yakobson en collega's van het Oak Ridge National Laboratory combineren theorie en experimenten om te bewijzen dat het mogelijk is om 2D-materialen specifieke defecten te geven, vooral naden op atomaire schaal die korrelgrenzen worden genoemd. Deze grenzen kunnen worden gebruikt om de elektronische, magnetisch, mechanisch, katalytische en optische eigenschappen.

De sleutel is het introduceren van kromming in het landschap die de manier waarop defecten zich voortplanten, beperkt. De onderzoekers noemen dit "tilt grain border topology, " en ze bereiken dit door hun materialen te laten groeien op een topografisch gebogen substraat - in dit geval een ijshoorntje. De hoek van de kegel bepaalt of, wat voor soort en waar de grenzen verschijnen.

Het onderzoek is het onderwerp van een artikel in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano .

Korrelgrenzen zijn de randen die in een materiaal verschijnen waar randen in een mismatch samenkomen. Deze grenzen zijn een reeks gebreken; bijvoorbeeld, wanneer twee vellen hexagonaal grafeen elkaar onder een hoek ontmoeten, de koolstofatomen compenseren dit door niet-hexagonale (vijf- of zevenledige) ringen te vormen.

Yakobson en zijn team hebben al aangetoond dat deze grenzen elektronisch significant kunnen zijn. Ze kunnen, bijvoorbeeld, perfect geleidend grafeen in een halfgeleider veranderen. In sommige gevallen, de grens zelf kan een geleidende draad op subnanoschaal zijn of magnetische eigenschappen aannemen.

Maar tot nu toe hadden onderzoekers weinig controle over waar die grenzen zouden verschijnen bij het kweken van grafeen, molybdeendisulfide of andere 2-D materialen door chemische dampafzetting.

De theorie die bij Rice werd ontwikkeld, toonde aan dat groeiend 2D-materiaal op een kegel de grenzen op bepaalde plaatsen zou forceren. De breedte van de kegel controleerde de plaatsing en, belangrijker, de hellingshoek, een cruciale parameter bij het afstemmen van de elektronische en magnetische eigenschappen van de materialen, zei Yakobson.

Experimentele medewerkers van Oak Ridge onder leiding van co-auteur David Geohegan leverden bewijs dat de belangrijkste aspecten van de theorie ondersteunde. Ze bereikten dit door wolfraamdisulfide te laten groeien op kleine kegeltjes, vergelijkbaar met die in Rice' computermodellen. De grenzen die in de echte materialen verschenen, kwamen overeen met die voorspeld door de theorie.

"De niet-vlakke vorm van het substraat dwingt het 2-D kristal om te groeien in een gekromde 'niet-euclidische' ruimte, "Zei Yakobson. "Dit spant het kristal, die af en toe meegeeft door een weg te geven aan de naden, of korrelgrenzen. Het is niet anders dan de manier waarop een kleermaker een naad toevoegt aan een pak of een jurk om een ​​curvy klant te passen."

Het modelleren van kegels van verschillende breedtes onthulde ook een "magische kegel" van 38,9 graden waarop het kweken van een 2D-materiaal helemaal geen korrelgrens zou achterlaten.

Het Rice-team breidde zijn theorie uit om te zien wat er zou gebeuren als de kegels in een vliegtuig zouden zitten. Ze voorspelden hoe korrelgrenzen zouden ontstaan ​​over het hele oppervlak, en opnieuw, Oak Ridge-experimenten bevestigden hun resultaten.

Yakobson zei dat zowel de Rice- als Oak Ridge-teams onafhankelijk van elkaar aan aspecten van het onderzoek werkten. "Het ging langzaam tot we elkaar een paar jaar geleden op een conferentie in Florida ontmoetten en ons realiseerden dat we samen verder moesten gaan. " zei hij. "Het was zeker verheugend om te zien hoe experimenten de modellen bevestigden, terwijl ze soms belangrijke verrassingen bieden. Nu moeten we het extra werk doen om ze ook te begrijpen."