Sinds de ontdekking in 2004, grafeen - een atomair dun materiaal met verbazingwekkende sterkte en elektrische eigenschappen - heeft wetenschappers over de hele wereld geïnspireerd om nieuwe 2D-materialen te ontwerpen voor een breed scala aan toepassingen, van hernieuwbare energie en katalysatoren tot micro-elektronica.

Terwijl 2D-structuren zich van nature vormen in materialen zoals grafeen, sommige wetenschappers hebben geprobeerd 2D-materialen te maken van halfgeleiders die overgangsmetaaloxiden worden genoemd:verbindingen die zijn samengesteld uit zuurstofatomen die zijn gebonden aan een overgangsmetaal zoals kobalt. Maar hoewel wetenschappers al lang weten hoe ze nanodeeltjes van overgangsmetaaloxiden kunnen maken, niemand heeft een beheersbare manier gevonden om deze 3D-nanodeeltjes tot nanobladen te laten groeien, dat zijn dunne 2D-materialen van slechts een paar atomen dik.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers onder leiding van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft waardevol inzicht gekregen in de natuurlijke "rand" van 3D-transitiemetaaloxide-nanodeeltjes voor 2D-groei. Hun bevindingen werden gerapporteerd in Natuurmaterialen .

Met behulp van een vloeistoffase-transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) in de Molecular Foundry van Berkeley Lab voor de experimenten, co-corresponderende auteur Haimei Zheng en haar team observeerden direct de dynamische groei van kobaltoxide-nanodeeltjes in een oplossing, en hun daaropvolgende transformatie in een platte 2D nanosheet.

"Zo'n 3-D naar 2-D transformatie lijkt veel op het wit van een ei dat zich verspreidt terwijl het in een pan bakt, " zei Zheng, een senior stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab die het onderzoek leidde.

In eerdere onderzoeken is wetenschappers hadden aangenomen dat er slechts twee belangrijke factoren waren:bulkenergie uit het volume van de nanodeeltjes, en de oppervlakte-energie van de nanodeeltjes - zou de groei van de nanodeeltjes in een 3D-vorm stimuleren, Zheng uitgelegd.

Nieuwe energie komt aan het licht

Maar berekeningen onder leiding van co-corresponderende auteur Lin-Wang Wang onthulden een andere energie die eerder over het hoofd was gezien:randenergie. In een gefacetteerde, rechthoekig nanodeeltje zoals een overgangsmetaaloxide nanodeeltje, de rand van een facet draagt ​​ook energie bij - in dit geval positieve energie - in de richting van de groei en vorm van het nanodeeltje. Maar om een ​​overgangsmetaaloxide-nanodeeltje te laten uitgroeien tot een 2D-nanoblad, de oppervlakte-energie moet negatief zijn.

"En het is de balans tussen deze twee energieën, een negatieve en een positieve, die de vormverandering bepaalt, " zei Wang. Voor kleinere nanodeeltjes, positieve randenergie wint, wat leidt tot een compacte 3D-vorm. Maar als de kobaltoxide-nanodeeltjes groter worden, ze bereiken uiteindelijk een kritiek punt waar negatieve oppervlakte-energie wint, resulterend in een 2D nanosheet, hij legde uit. Wang, een senior stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, voerde de berekeningen uit voor de studie op supercomputers in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van Berkeley Lab.

Door deze groeipaden bloot te leggen, inclusief de overgang van 3D naar 2D, Zheng heeft toegevoegd, biedt nieuwe mogelijkheden voor het gestroomlijnde ontwerp van exotische nieuwe materialen uit verbindingen waarvan de onregelmatige atomaire structuren, zoals overgangsmetaaloxiden, zijn uitdagender dan grafeen om te synthetiseren tot meerlagige 2D-apparaten.

Zheng en haar team concludeerden dat het onderzoek niet mogelijk was geweest met een conventionele elektronenmicroscoop. Door vloeibare fase TEM te gebruiken bij de Molecular Foundry, de onderzoekers konden de groei van atomair dunne materialen in oplossing bestuderen door het vloeibare monster in te kapselen in een speciaal ontworpen vloeistofcel. De cel verhinderde dat het monster in het hoogvacuüm van de elektronenmicroscoop instortte.

"Het zou onmogelijk zijn om zo'n groeipad te kennen zonder deze observatie in situ, " zei eerste auteur Juan Yang, die ten tijde van het onderzoek een gastdoctoraal onderzoeker was bij Berkeley Lab van de Dalian University of Technology of China. "Deze ontdekking kan ons toekomstige ontwerp van materialen met oppervlakteverbeterde eigenschappen voor katalyse en detectietoepassingen van de toekomst transformeren."

Volgende stappen

De onderzoekers zijn vervolgens van plan zich te concentreren op het gebruik van TEM met vloeibare cellen om complexere 2D-materialen te kweken, zoals heterostructuren, die zijn als sandwiches van gelaagde materialen met verschillende eigenschappen.

"Als een architect die zich laat inspireren door de manier waarop een eeuwenoude gigantische sequoia is gegroeid, materiaalwetenschappers worden geïnspireerd om steeds complexere structuren voor energieopslag te ontwerpen, " zei Zheng, die in 2009 pionierde met vloeibare cel TEM in Berkeley Lab. "Maar waarom groeien ze op die manier? Onze kracht bij Berkeley Lab is dat we ze op atomair niveau kunnen bestuderen en ze in realtime kunnen zien groeien en de mechanismen kunnen achterhalen die bijdragen aan het ontwerp van betere materialen."