Ze behoren tot de dunste structuren op aarde:"tweedimensionale materialen" zijn kristallen die uit slechts één of enkele lagen atomen bestaan. Ze vertonen vaak ongebruikelijke eigenschappen, veelbelovende vele nieuwe toepassingen in opto-elektronica en energietechnologie. Een van deze materialen is 2-D-molybdeensulfide, een atomair dunne laag van molybdeen- en zwavelatomen.

De productie van dergelijke ultradunne kristallen is moeilijk. Het kristallisatieproces is afhankelijk van veel verschillende factoren. Vroeger, verschillende technieken hebben heel uiteenlopende resultaten opgeleverd, maar de redenen hiervoor konden niet nauwkeurig worden verklaard. Dankzij een nieuwe methode ontwikkeld door onderzoeksteams van de TU Wien, de Universiteit van Wenen en Joanneum Research in Stiermarken, voor het eerst is het nu mogelijk om het kristallisatieproces direct onder de elektronenmicroscoop waar te nemen. De methode is nu gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano .

Van gas naar kristal

"Molybdeensulfide kan worden gebruikt in transparante en flexibele zonnecellen of voor het duurzaam opwekken van waterstof voor energieopslag, " zegt de hoofdauteur van de studie, Bernhard C. Bayer van het Institute of Materials Chemistry aan de TU Wien. "Om dit te doen, echter, hoogwaardige kristallen moeten onder gecontroleerde omstandigheden worden gekweekt."

Meestal gebeurt dit door te beginnen met atomen in gasvorm en deze vervolgens willekeurig en ongestructureerd op een oppervlak te condenseren. In een tweede stap, de atomen zijn gerangschikt in regelmatige kristalvorm - door verwarming, bijvoorbeeld. "De diverse chemische reacties tijdens het kristallisatieproces zijn, echter, nog onduidelijk, waardoor het erg moeilijk is om betere productiemethoden voor dit soort 2D-materialen te ontwikkelen, ', stelt Bayer.

Dankzij een nieuwe methode echter, het zou nu mogelijk moeten zijn om de details van het kristallisatieproces nauwkeurig te bestuderen. "Dit betekent dat het niet langer nodig is om met vallen en opstaan ​​te experimenteren, maar dankzij een dieper begrip van de processen, we kunnen met zekerheid zeggen hoe we het gewenste product kunnen verkrijgen, ' voegt Bayer toe.

Grafeen als substraat

Eerst, molybdeen en zwavel worden willekeurig op een membraan van grafeen geplaatst. Grafeen is waarschijnlijk de bekendste van de 2D-materialen - een kristal met een dikte van slechts één atoomlaag bestaande uit koolstofatomen die zijn gerangschikt in een honingraatrooster. De willekeurig gerangschikte molybdeen- en zwavelatomen worden vervolgens in de elektronenmicroscoop gemanipuleerd met een fijne elektronenstraal. Dezelfde elektronenbundel kan gelijktijdig worden gebruikt om het proces in beeld te brengen en het kristallisatieproces op gang te brengen.

Op die manier is het nu voor het eerst mogelijk geworden om direct te observeren hoe de atomen bewegen en herschikken tijdens de groei van het materiaal met een dikte van slechts twee atoomlagen. "Daarbij, we kunnen zien dat de meest thermodynamisch stabiele configuratie niet altijd de eindtoestand hoeft te zijn, ", zegt Bayer. Verschillende kristalarrangementen concurreren met elkaar, in elkaar overgaan en elkaar vervangen. "Daarom, het is nu duidelijk waarom eerdere onderzoeken zulke wisselende resultaten hadden. We hebben te maken met een complexe dynamisch proces." De nieuwe bevindingen zullen helpen om de structuur van de 2D-materialen in de toekomst nauwkeuriger aan te passen aan de toepassingsvereisten door de herschikkingsprocessen gericht te verstoren.