Een verscheidenheid aan tweedimensionale materialen met veelbelovende eigenschappen voor optische, elektronisch, of opto-elektronische toepassingen zijn tegengehouden door het feit dat ze snel degraderen wanneer ze worden blootgesteld aan zuurstof en waterdamp. De tot nu toe ontwikkelde beschermende coatings zijn duur en giftig gebleken, en kan niet worden verwijderd.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT en elders heeft een ultradunne coating ontwikkeld die niet duur is, eenvoudig toe te passen, en kan worden verwijderd door bepaalde zuren toe te passen.

De nieuwe coating zou een breed scala aan potentiële toepassingen voor deze "fascinerende" 2D-materialen kunnen openen, zeggen de onderzoekers. Hun bevindingen worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift PNAS , in een paper van MIT-afgestudeerde student Cong Su; professoren Ju Li, Jing Kong, Mircea Dinca, en Juejun Hu; en 13 anderen bij MIT en in Australië, China, Denemarken, Japan, en het VK

Onderzoek naar 2D materialen, die dunne platen vormen van slechts één of enkele atomen dik, is "een zeer actief veld, " zegt Li. Vanwege hun ongebruikelijke elektronische en optische eigenschappen, deze materialen hebben veelbelovende toepassingen, zoals zeer gevoelige lichtdetectoren. Maar velen van hen, met inbegrip van zwarte fosfor en een hele categorie materialen die bekend staan ​​als overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), corroderen bij blootstelling aan vochtige lucht of aan verschillende chemicaliën. Velen van hen degraderen aanzienlijk in slechts enkele uren, hun bruikbaarheid voor toepassingen in de echte wereld uitsluiten.

"Het is een sleutelkwestie" voor de ontwikkeling van dergelijke materialen, zegt Li. "Als je ze niet in de lucht kunt stabiliseren, hun verwerkbaarheid en bruikbaarheid is beperkt." Een van de redenen waarom silicium zo'n alomtegenwoordig materiaal is geworden voor elektronische apparaten, hij zegt, is omdat het van nature een beschermende laag siliciumdioxide vormt op het oppervlak wanneer het wordt blootgesteld aan lucht, verdere degradatie van het oppervlak te voorkomen. Maar dat is moeilijker met deze atomair dunne materialen, waarvan de totale dikte zelfs minder zou kunnen zijn dan de beschermende laag van siliciumdioxide.

Er zijn pogingen geweest om verschillende 2D-materialen te coaten met een beschermende barrière, maar tot nu toe hebben ze ernstige beperkingen gehad. De meeste coatings zijn veel dikker dan de 2D-materialen zelf. De meeste zijn ook erg broos, gemakkelijk scheuren vormen die de corrosieve vloeistof of damp doorlaten, en veel zijn ook behoorlijk giftig, problemen veroorzaken bij het hanteren en verwijderen.

De nieuwe laag, gebaseerd op een familie van verbindingen die bekend staat als lineaire alkylaminen, verbetert deze nadelen, zeggen de onderzoekers. Het materiaal kan in ultradunne lagen worden aangebracht, slechts 1 nanometer (een miljardste van een meter) dik, en verdere verwarming van het materiaal na het aanbrengen geneest kleine scheurtjes om een ​​aaneengesloten barrière te vormen. De coating is niet alleen ondoordringbaar voor een verscheidenheid aan vloeistoffen en oplosmiddelen, maar blokkeert ook aanzienlijk de penetratie van zuurstof. En, het kan later indien nodig worden verwijderd door bepaalde organische zuren.

"Dit is een unieke benadering" om dunne atoomplaten te beschermen, Li zegt, die een extra laag produceert van slechts één molecuul dik, bekend als een monolaag, dat een opmerkelijk duurzame bescherming biedt. "Dit geeft het materiaal een factor 100 langere levensduur, " hij zegt, de verwerkbaarheid en bruikbaarheid van sommige van deze materialen uit te breiden van enkele uren tot maanden. En de coatingsamenstelling is "zeer goedkoop en gemakkelijk aan te brengen, " hij voegt toe.

Naast theoretische modellering van het moleculaire gedrag van deze coatings, het team heeft een werkende fotodetector gemaakt van vlokken TMD-materiaal beschermd met de nieuwe coating, als proof-of-concept. Het coatingmateriaal is hydrofoob, wat betekent dat het sterk water afstoot, die anders in de coating zouden diffunderen en een natuurlijk gevormde beschermende oxidelaag in de coating zouden oplossen, wat leidt tot snelle corrosie.

Het aanbrengen van de coating is een zeer eenvoudig proces, Su legt uit. Het 2D-materiaal wordt eenvoudig in een bad met vloeibare hexylamine geplaatst, een vorm van het lineaire alkylamine, die na ongeveer 20 minuten de beschermende laag opbouwt, bij een temperatuur van 130 graden Celsius bij normale druk. Vervolgens, om een ​​gladde, scheurvrij oppervlak, het materiaal wordt nog 20 minuten ondergedompeld in damp van hetzelfde hexylamine.

"Je doet de wafel gewoon in deze vloeibare chemische stof en laat hem opwarmen, " zegt Su. "Kortom, that's it." De coating "is redelijk stabiel, maar het kan worden verwijderd door bepaalde zeer specifieke organische zuren."

Het gebruik van dergelijke coatings zou nieuwe onderzoeksgebieden kunnen openen naar veelbelovende 2D-materialen, inclusief de TMD's en zwarte fosfor, maar mogelijk ook siliceen, stanine, en andere aanverwante materialen. Aangezien zwarte fosfor de meest kwetsbare en gemakkelijk afbreekbare van al deze materialen is, dat is wat het team gebruikte voor hun eerste proof of concept.

De nieuwe coating zou een manier kunnen zijn om "de eerste hindernis voor het gebruik van deze fascinerende 2D-materialen te overwinnen, " zegt Su. "Praktisch gesproken, je moet de degradatie tijdens de verwerking opvangen voordat je deze voor eventuele toepassingen kunt gebruiken, "en die stap is nu bereikt, hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.