Gewenste eigenschappen waaronder verhoogde elektrische geleidbaarheid, verbeterde mechanische eigenschappen, of magnetisme voor geheugenopslag of informatieverwerking kan mogelijk zijn vanwege een theoretische methode om korrelgrenzen in tweedimensionale materialen te controleren, volgens materiaalwetenschappers van Penn State.

Tweedimensionale (2D) materialen zijn de afgelopen tien jaar het onderwerp geweest van intensief onderzoek, maar voorafgaand aan het werk van Yuanxi Wang, een recent doctoraat in Penn State en Vincent H. Crespi, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde, materiaalwetenschap en techniek en scheikunde bij Penn State, niemand had een algemene manier bedacht om de locatie en het type korrelgrenzen in 2D-materialen te controleren.

"Als je een 2D-materiaal kweekt, een dunne film, je deponeert materialen op een ondergrond, " legde Crespi uit. "Als de atomen op het substraat vallen, ze organiseren zichzelf in kristallijne gebieden die korrels worden genoemd."

Als de korrels uitzetten, ze komen in andere groeiende kristallijne gebieden terecht, en waar ze elkaar ontmoeten, wordt de korrelgrens genoemd. Maar zoals een vloer betegelen door de tegels willekeurig te gooien, de oriëntatie van de korrels en korrelgrenzen zijn willekeurig, wat de materiaaleigenschappen beïnvloedt.

Tot dit werk, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , deze willekeurige korrelgrenzen werden grotendeels beschouwd als ongelukkige bijproducten van het afzettingsproces.

"Typisch, wanneer je een materiaal kweekt, die willekeurige korrelgrenzen zijn slecht, "zei Crespi. "De atomen paren niet met elkaar zoals in gewone kristallen. Stroom en warmte gaan niet gemakkelijk door. Ze hebben de neiging om warmte en elektronen te verspreiden."

Crespi en Wang hadden het idee dat door het onderliggende substraat te manipuleren, ze konden vooraf bepalen waar de korrelgrenzen zouden beginnen en eindigen, en laat ze op een geordende positie staan. De belangrijkste vormen waren gebaseerd op iets dat Gauss-kromming wordt genoemd, een reeks halfronde hobbels en kuilen op een substraat dat lijkt op een eierdoos.

Wang deed berekeningen die aantoonden dat voor twee veel bestudeerde 2D-materialen, grafeen en molybdeendisulfide, de groei zou op specifieke locaties korrelgrenzen vormen in plaats van los te komen van het substraat of ongewenste plooien te ontwikkelen. Als het 2D-materiaal niet goed hecht aan de ondergrond, het zal een vouw genereren.

"We ontdekten dat de energie en kinetiek van het vormen van korrelgrenzen versus een vouw of onthechting, waren gunstig in grafeen en molybdeendisulfide, en toepasbaar op elk 2D-materiaal, " zei Wang. "Maar geen enkele hobbel zou voldoende zijn. Ze moeten een Gaussiaanse kromming hebben."

Toepassingen zijn onder meer geheugenopslag, waarbij het regelen van de magnetische toestand van een 2D magnetisch-korrelgrenssysteem door het aanleggen van een spanning een zeer nuttige mogelijkheid zou zijn. De fijne controle van elektronische eigenschappen via korrelgrenzen kan ook worden gebruikt in spintronica, die informatie verwerkt met behulp van de spin van elektronen. Deze korrelgrenzen bepalen vaak ook de mechanische eigenschappen van materialen, zoals hoe ze reageren onder uitrekken.

"Dit geeft mensen een nieuwe manier van denken over het optimaliseren van de eigenschappen van 2D-materialen waar ze meer controle hebben dan voorheen, "Zei Crespi. "We wisten niet dat we zo'n fijne controle over de korrelgrenzen konden hebben, en dus dachten we er niet aan om de magnetische, thermische en elektronische eigenschappen van korrelgrenzen met het oog op het creëren van 'korrelgrensmaterialen' waarvan de eigenschappen worden bepaald door een gecontroleerde verdeling van gespecificeerde korrelgrenzen."

Hun artikel in Nano-letters is getiteld "Theory of Finite-Length Grain Boundaries of Controlled Misfit Angle in Two-Dimensional Materials."