Perfectie is niet alles, volgens een internationaal team van onderzoekers wiens 2D-materiaalonderzoek aantoont dat defecten de fysieke, elektrochemisch, magnetisch, energie en katalytische eigenschappen.

"Elektronische apparaten, zoals transistoren, zijn meestal gemaakt van relatief volumineuze gestapelde lagen metaal, oxiden en kristallijne halfgeleiders, " zei Shengxi Huang, universitair docent elektrotechniek, Penn State. "We willen ze maken met tweedimensionale materialen, zodat ze sneller kunnen zijn, kleiner en flexibeler.”

Om dit te doen, de onderzoekers kijken naar enkele atomaire lagen van molybdeensulfide. Ze rapporteren de resultaten van hun onderzoek in een recent nummer van ACS Nano .

Molybdeensulfide is een molecuul dat bestaat uit één molybdeenatoom waaraan twee zwavelatomen zijn bevestigd. De moleculen staan ​​op één lijn met het molybdeen in het midden en de zwavelatomen aan de boven- en onderkant bij het vormen van een 2-D, een laag, film. Deze films werden op verschillende ondergronden geplaatst:goud, enkellaags grafeen, hexagonaal boornitride en ceriumdioxide - en bestraald om defecten in de roosterstructuur te creëren.

Het maken van 2D-materialen is geen perfect productieproces en defecten zijn altijd aanwezig in het rooster. De onderzoekers wilden bepalen hoe die defecten de fysische en elektrochemische eigenschappen van het molybdeensulfide veranderden. Door bestraling verliest een deel van het molybdeensulfide een zwavelatoom van het oppervlak. Met behulp van deze minder dan perfecte films, de onderzoekers konden zien hoe de materialen veranderden met behulp van verschillende microscopie en spectroscopie.

Simulaties van roosterdefecten stelden de onderzoekers in staat de materialen te manipuleren en structuren te produceren die overeenkwamen met de experimenteel defecte films. Ze ontdekten dat de resultaten van de materiaaleigenschappen van hun simulaties overeenkwamen met hun experimentele resultaten.

"We ontdekten dat de zwaveldefecten de fysieke eigenschappen van het materiaal verbeterden, " zei Huang. "Door de locaties en het aantal defecten te kiezen, we zouden in staat moeten zijn om de bandstructuur van het materiaal af te stemmen, het verbeteren van zijn elektronische mogelijkheden."

Experimenteel, ontdekten de onderzoekers dat er veel meer zwavelatomen verloren gaan dan molybdeenatomen, omdat de zwavel aan de oppervlakte zit en het molybdeen in het midden wordt beschermd. Ze merkten ook op dat, omdat zoveel zwavelatomen het materiaal verlaten, de gebreken veroorzaakt door de afwezigheid van zwavel overweldigen elk effect dat de afwezigheid van een molybdeen in het rooster zou kunnen hebben.

Onderzoeken hoe verschillende substraten de eigenschappen van het tweedimensionale materiaal wel of niet verbeterden, de onderzoekers ontdekten dat "de substraten de elektronische energieniveaus in molybdeensulfide kunnen afstemmen vanwege ladingsoverdracht aan de interface." De materiaaleigenschappen van het substraat veranderen ook de eigenschappen van de tweedimensionale enkele laag. Ceriumdioxide, omdat het een oxide is, veranderde de elektrische eigenschappen van het materiaal anders dan de andere substraten.

Kleiner, snellere en flexibelere elektronica is niet het enige mogelijke resultaat van het afstemmen van deze 2D-materialen.

"Als we de juiste hoeveelheid zwavelvacatures hebben, we kunnen chemische processen verbeteren, zoals de evolutie van waterstof uit water, " zei Huang.

Materialen zoals molybdeensulfide worden gebruikt als katalysator in chemische reacties. Huang verwijst naar het splijten van water, een proces dat wordt gebruikt om gasvormige waterstof en zuurstof te maken uit vloeibaar water, waarbij het juiste defecte molybdeensulfide het proces kan verbeteren en de benodigde hoeveelheden energie en kosten kan verminderen en de hoeveelheid geproduceerde waterstof kan verhogen.

Molybdeen is een overgangsmetaal en andere leden van deze atoomgroep vormen ook moleculen die dichalcogeniden worden genoemd. Deze omvatten wolfraam, niobium, zirkonium, titanium en tantaal en ze vormen lagen met zwavel en andere chalcogeniden zoals selenium en tellurium. Andere dichalcogeniden kunnen worden gemaakt in 2D-materialen en kunnen ook worden aangepast om hun eigenschappen te verbeteren.