"Tweedimensionale materialen" - materialen die zijn afgezet in lagen van slechts enkele atomen dik - zijn veelbelovend voor zowel hoogwaardige elektronica als flexibele, transparante elektronica die op fysieke oppervlakken kan worden gelaagd om computers alomtegenwoordig te maken.

Het bekendste 2D-materiaal is grafeen, dat is een vorm van koolstof, maar recentelijk hebben onderzoekers andere 2D-materialen onderzocht, zoals molybdeendisulfide, die hun eigen duidelijke voordelen.

Het produceren van nuttige elektronica, echter, vereist integratie van meerdere 2D-materialen in hetzelfde vlak, wat een zware uitdaging is. in 2015, onderzoekers van King Abdullah University in Saoedi-Arabië hebben een techniek ontwikkeld om molybdeendisulfide (MoS2) naast wolfraamdiselenide (WSe2) af te zetten, met een zeer schone verbinding tussen de twee materialen. Met een variatie op de techniek, onderzoekers van de Cornell University ontdekten toen dat ze lange, rechte draden van MoS2 - slechts enkele atomen in diameter - om zich uit te strekken tot in de WSe2, met behoud van de schone kruising.

De onderzoekers namen contact op met Markus Buehler, de McAfee Professor of Engineering aan het MIT's Department of Civil and Environmental Engineering, die gespecialiseerd is in atomaire modellen van scheurvoortplanting, om te zien of zijn groep kon helpen dit vreemde fenomeen te verklaren.

In het laatste nummer van Natuurmaterialen , de koning Abdullah, Cornell, en MIT-onderzoekers werken samen met collega's van Academia Sinica, de Taiwanese nationale onderzoeksacademie, en Texas Tech University om zowel de materiaaldepositiemethode als het mechanisme dat ten grondslag ligt aan de vorming van de MoS2-nanodraden te beschrijven, die de MIT-onderzoekers computationeel konden modelleren.

"De productie van nieuwe 2D-materialen blijft nog steeds een uitdaging, " zegt Buehler. "De ontdekking van mechanismen waarmee bepaalde gewenste materiaalstructuren kunnen worden gecreëerd, is de sleutel tot het verplaatsen van deze materialen naar toepassingen. In dit proces, het gezamenlijke werk van simulatie en experiment is van cruciaal belang om vooruitgang te boeken, vooral met behulp van modellen op moleculair niveau van materialen die nieuwe ontwerprichtingen mogelijk maken."

Aangesloten

Het vermogen om lange, dunne MoS2-kanalen in WSe2 kunnen een aantal toepassingen hebben, zeggen de onderzoekers.

"Op basis van [de materialen] elektrische eigenschappen en optische eigenschappen, mensen kijken naar het gebruik van MoS2 en WSe2 voor zonnecellen of voor watersplitsing op basis van zonlicht, " zegt Bende Seob Jung, een MIT-afgestudeerde student civiele en milieutechniek en een co-auteur van het nieuwe artikel. "De meeste interessante dingen gebeuren op de interface. Als je niet alleen die ene interface hebt - als er veel nanodraadinterfaces zijn - kan het de efficiëntie van een zonnecel verbeteren, ook al is het heel willekeurig."

Maar de theoretische verklaring van het moleculaire mechanisme dat ten grondslag ligt aan de vorming van nanodraden wekt ook de hoop dat hun vorming gecontroleerd kan worden, om de assemblage van elektronische componenten op atoomschaal mogelijk te maken.

"Twee-D materialen, een van de meest veelbelovende kandidaten voor toekomstige elektronica, uiteindelijk op silicium gebaseerde apparaten moeten verslaan, die al enkele nanometers groot zijn geworden, " zegt Yimo Han, een Cornell-afgestudeerde student scheikunde en eerste auteur van het papier. "Twee-D-materialen zijn de dunste in verticale richting, maar beslaan nog steeds een vrij groot gebied in de laterale afmetingen. We hebben de dunste dislocatievrije kanalen gemaakt in 2-D-materialen, dat is een grote stap in de richting van elektronische subnanometer-apparaten uit 2D-materialen."

Voortplantende polygonen

In een 2D-kristal, zowel MoS2 als WSe2 rangschikken zich van nature in zeshoeken waarin de samenstellende elementen - molybdeen en zwavel of wolfraam en selenium - elkaar afwisselen. Samen, deze zeshoeken produceren een honingraatpatroon.

De fabricagetechniek van de Cornell-onderzoekers behoudt dit honingraatpatroon over de kruising tussen materialen, een zeldzame prestatie en een die erg handig is voor elektronische toepassingen. Hun techniek maakt gebruik van chemische dampafzetting, waarbij een substraat - in dit geval saffier - wordt blootgesteld aan gassen die chemicaliën bevatten die reageren om de gewenste materialen te produceren.

De natuurlijke afmetingen van de MoS2- en WSe2-zeshoeken zijn iets anders, echter, dus hun integratie zet beide kristallen onder druk, vooral in de buurt van hun kruispunt. Als een paar WSe2-zeshoeken precies op de MoS2-kruising wordt omgezet in een zeshoek die overeenkomt met een zevenhoek (een zevenzijdige veelhoek), het laat de spanning los.

Door deze zogenaamde 5|7-dislocatie ontstaat een plek waar een MoS2-deeltje zich kan hechten. De resulterende reactie voegt een molybdeenatoom in de vijfhoek, het produceren van een zeshoek, en breekt de zevenhoek open. Zwavelatomen hechten zich vervolgens aan de zevenhoek om nog een 5|7-dislocatie te vormen. Terwijl dit proces zich herhaalt, de 5|7 dislocatie gaat dieper het WSe2-territorium in, met daarachter een nanodraad. Het patroon waarin de spanning op de niet-overeenkomende zeshoeken ontspant en terugkeert, zorgt ervoor dat de dislocatie langs een rechte lijn verloopt.