De opmerkelijke eigenschappen van 2D-materialen - bestaande uit een enkele laag atomen - hebben ze tot de meest intensief bestudeerde materialen van onze tijd gemaakt. Ze hebben het potentieel om een ​​nieuwe generatie verbeterde elektronica in te luiden, batterijen en sensorische apparaten, onder andere toepassingen.

Een obstakel voor het realiseren van toepassingen van deze materialen zijn de kosten en tijd die nodig zijn voor experimentele studies. Echter, computersimulaties helpen onderzoekers deze uitdaging te overwinnen om materiële structuren en functies in een versneld tempo nauwkeurig te karakteriseren.

In het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers hebben de groei van siliceen gesimuleerd, een 2D-materiaal met aantrekkelijke elektronische eigenschappen. Hun werk, gepubliceerd in nanoschaal , levert nieuwe en bruikbare inzichten op over de eigenschappen en het gedrag van het materiaal en biedt een voorspellend model voor andere onderzoekers die 2D-materialen bestuderen.

Vooruit gaan, dit model kan het begrip van onderzoekers van 2D-materialen versnellen, en brengen ons dichter bij het realiseren van hun toepassingen binnen een breed scala van industrieën.

Bij simulaties, Argonne-onderzoekers observeerden siliceen, opgebouwd uit één laag siliciumatomen, evolueren terwijl het groeide op het metaaliridium. De wetenschappers ontwikkelden hun model met steun van Argonne's Center for Nanoscale Materials en de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) - beide DOE Office of Science User Facilities - en met behulp van experimentele gegevens over siliceengroei.

"We gebruikten experimentele gegevens om het model te bouwen, " zei Mathew Cherukara, Argonne postdoctoraal onderzoeker en hoofdauteur. "Vervolgens gebruikten we deze versie van het model om voorspellingen te doen onder verschillende omstandigheden, en leer ook de onderliggende fysieke processen die de groei van het materiaal bepalen."

De auteurs werkten vervolgens samen met ALCF-onderzoekers om de groei van siliceenatoom voor atoom te simuleren. Ze simuleerden het materiaal onder verschillende omstandigheden, veranderende variabelen zoals temperatuur en de snelheid waarmee siliceen werd afgezet, totdat ze de beste omstandigheden vonden om een ​​single te maken, uniforme laag.

"In wezen hebben we virtuele 'experimenten' gedaan om verschillende variabelen te optimaliseren, alles tegen veel lagere kosten dan in het laboratorium, " zei Badri Narayanan, Argonne materiaalwetenschapper en mede-hoofdauteur. "Nutsvoorzieningen, anderen kunnen veel van het vallen en opstaan ​​​​in het laboratorium vermijden. In plaats daarvan kunnen ze experimenteren met behulp van de geoptimaliseerde set van omstandigheden die volgens ons model het beste de structuren en eigenschappen opleveren die ze wensen."

Met siliceen, siliciumatomen kunnen zichzelf rangschikken in vier-, vijf- of zelfs zeskoppige ringen, clusters of eilanden vormen. De materiaaleigenschappen kunnen drastisch veranderen afhankelijk van het aantal atomen in een ring, de grootte en verdeling van deze ringen en hoe ze in de loop van de tijd met elkaar verbonden zijn.

"In de simulaties we hebben onze toevlucht genomen tot het gebruik van algoritmen voor machinaal leren om deze kleine clusters on-the-fly te identificeren, " zei Argonne Postdoctoral Fellow en co-auteur Henry Chan. "De grootte en vorm van de clusters en hoe ze combineren, bepalen uiteindelijk de eigenschappen van deze 2D-materialen."

Een voordeel van het modelleren van 2D-materialen zoals siliceen is dat onderzoekers atomaire interacties en configuraties kunnen visualiseren, zoals de vorming van tussenclusters tijdens het groeiproces. Deze evolueren vaak te snel voor onderzoekers om tijdens experimenten vast te leggen.

"Het is erg moeilijk om clusters of eilanden te vangen die zich vormen, omdat ze plaatsvinden over zeer korte tijdschalen en kleine lengteschalen, " zei Subramanian Sankaranarayanan, Argonne wetenschapper en co-auteur. "Onze simulaties, die slechts tientallen nanoseconden vastleggen, slagen om te laten zien hoe deze kleine structuren zich vormen en onthullen de optimale omstandigheden om de structuren op de een of andere manier daadwerkelijk af te stemmen."

"Siliceengroei door eilandmigratie en samensmelting" stond op de omslag van het augustusnummer van nanoschaal .