Gelaagde overgangsmetaal dichalcogeniden of TMDC's - materialen die zijn samengesteld uit metalen nanolagen die zijn ingeklemd tussen twee andere lagen chalcogenen - zijn buitengewoon aantrekkelijk geworden voor de onderzoeksgemeenschap vanwege hun vermogen om te exfoliëren tot 2D-enkele lagen. Net als bij grafeen, ze behouden niet alleen enkele van de unieke eigenschappen van het bulkmateriaal, maar demonstreren ook direct-gap halfgeleidend gedrag, uitstekende elektrokatalytische activiteit en unieke kwantumverschijnselen zoals ladingsdichtheidsgolven (CDW).

Het genereren van complexe TMDC's met meerdere principes die essentieel zijn voor de toekomstige ontwikkeling van nieuwe generaties kwantum, elektronisch, en energieconversiematerialen is moeilijk.

"Het is relatief eenvoudig om een ​​binair materiaal te maken van één type metaal en één type chalcogeen, "Zei Ames Laboratory Senior Scientist Viktor Balema. "Als je eenmaal meer metalen of chalcogenen aan de reactanten probeert toe te voegen, het combineren ervan in een uniforme structuur wordt een uitdaging. Men geloofde zelfs dat het legeren van twee of meer verschillende binaire TMDC's in één enkelfasig materiaal absoluut onmogelijk is."

Om dit obstakel te overwinnen, postdoctoraal onderzoeksmedewerker Ihor Hlova gebruikte kogelmalen en daaropvolgende reactieve fusie om TMDC's zoals MoS te combineren ₂ , WSe ₂ , WS ₂ , TaS ₂ en NbSe ₂ . Kogelfrezen is een mechanochemisch proces dat in staat is om gelaagde materialen te exfoliëren tot nanoplaten met één of enkele lagen die hun meerlagige arrangementen verder kunnen herstellen door ze opnieuw te stapelen.

"Mechanische verwerking behandelt binaire TMDC's zoals het door elkaar schudden van twee afzonderlijke kaartspellen, zei Balema. "Ze zijn opnieuw geordend om 3D-heterogestructureerde architecturen te vormen - een ongekend fenomeen dat voor het eerst werd waargenomen in ons werk."

Verwarming van de resulterende 3-D-heterostructuren brengt ze aan de rand van hun stabiliteit, herschikt atomen binnen en tussen hun lagen, wat resulteert in eenfasige vaste stoffen die op hun beurt kunnen worden geëxfolieerd, of gepeld in 2-D enkele lagen vergelijkbaar met grafeen, maar met hun eigen unieke afstembare eigenschappen.

"Voorlopig onderzoek van eigenschappen van slechts enkele, eerder niet beschikbare verbindingen, blijkt net zo opwindend als synthetische resultaten zijn, ", voegt Ames Laboratory Senior Scientist en Distinguished Professor of Materials Science and Engineering Vitalij Pecharsky toe. "Zeer waarschijnlijk, we hebben zojuist deuren geopend naar de geheel nieuwe klasse van fijn afstembare, kwantummaterie."