Een team van onderzoekers van het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester heeft een nieuwe methode ontwikkeld om 2D-materialen te synthetiseren waarvan wordt gedacht dat ze onmogelijk zijn of, minstens, onbereikbaar door de huidige technologieën.

Grafeen was 's werelds eerste tweedimensionale materiaal, die vervolgens de poorten opende voor de isolatie van andere tweedimensionale materialen.

Grafeen en andere 2D-materialen hebben meestal een 3D-tegenhanger die bekend staat als een 'bulkanaloog'. Grafeen is bijvoorbeeld een enkele laag koolstofatomen afgeleid van grafiet.

Onlangs, er is een groeiende belangstelling voor de fabricage van synthetische 2D-materialen die geen gelaagde bulkanaloog hebben. Onderzoekers zijn begonnen te kijken naar 2D-materialen die geen 3D-tegenhanger hebben.

traditioneel, 2D-materialen worden geïsoleerd door een proces dat mechanische exfoliatie wordt genoemd - waarbij het bulkmateriaal wordt weggenomen en de lagen van elkaar worden geëxfolieerd totdat een enkele laag is bereikt.

In tegenstelling tot deze gelaagde kristallen, die materialen die geen gelaagde structuren hebben, worden bij elkaar gehouden door covalente bindingen tussen de atomaire vlakken, die geen mechanische afschilfering toelaten.

Zoals gepubliceerd in Nano-letters , door gebruik te maken van chemische conversie, het team van de universiteit was in staat om lagen bestaande gelaagde materialen om te zetten in een nieuw covalent tweedimensionaal materiaal. Als voorbeeld, mechanisch geëxfolieerd 2-D indiumselenide (InSe) wordt omgezet in atomair dun indiumfluoride (InF3), die een niet-gelaagde structuur heeft en daarom onmogelijk kan worden verkregen door afschilfering, door een fluoreringsproces.

Effectief, de voorgestelde chemische conversiestrategie van 2D-materiaal is niets anders dan atomaire lagen van bestaande 2D-materialen aan elkaar naaien door chemische modificatie.

Het verkregen nieuwe 2-D indiumfluoride is een halfgeleider, vertonen een hoge optische transparantie over het zichtbare en infrarode spectrale bereik en kunnen mogelijk worden gebruikt als een 2D-glas.

Professor Rahul Nair van het National Graphene Institute en Department of Chemical Engineering and Analytical Science, die het team leidde, zei:"Chemische modificatie van materialen is een krachtig hulpmiddel gebleken voor het verkrijgen van nieuwe materialen met gewenste en vaak ongebruikelijke eigenschappen. Er is nog meer werk uit te voeren om de chemische omzetting van 2D-materialen op atomaire schaal te begrijpen, inclusief effecten van relatieve oriëntatie en synergie tussen individuele atomaire lagen op hun chemische reactiviteit. We zijn van mening dat ons werk een aanzienlijke vooruitgang biedt in de materiaalwetenschap en een duidelijke mijlpaal is in de ontwikkeling van kunstmatige 2D-materialen."

Vishnu Sreepal, die de experimenten leidde en de hoofdauteur van dit artikel zei:"Ons werk toont duidelijk de mogelijkheid aan om kunstmatige 2-D covalente materialen te maken. Het proces is controleerbaar, eenvoudig uit te voeren en zeer effectief. Door de dikte van de beginnende 2D-lagen nauwkeurig te regelen, kan de dikte van de nieuwe covalente 2D-materialen worden gecontroleerd met een precisie op atomaire schaal. Het nieuwe covalente 2-D materiaal kan ook gecontroleerd worden gedoteerd met doteringen".

"We demonstreren ook de schaalbaarheid van onze aanpak door chemische conversie van grote oppervlakten, dunne InSe-films in InF3-films." het team voorziet dat een dergelijke chemische conversie kan worden uitgebreid tot van der Waals-heterostructuren om kunstmatige hetero-covalente vaste stoffen te verkrijgen.

Door atomen te stapelen in een nauwkeurig gekozen volgorde die bekend staat als heterostructuren, Er kunnen designmaterialen worden gemaakt met bepaalde eigenschappen die van nature niet voorkomen en bepaalde kwaliteiten bieden. Onderzoekers assembleren deze nieuwe materialen in sequenties die relevant zijn voor hun beoogde toepassing, in een proces dat lijkt op het stapelen van Legoblokjes. Door de mogelijkheid van 2-D covalente vaste stoffen aan te tonen, onderzoekers hebben nu meer 'lego' in hun speeltuin om nieuwe materialen te maken met op maat gemaakte eigenschappen.