Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een hele nieuwe bibliotheek van atomair dunne tweedimensionale (2-D) materialen gecreëerd, gedoopt "ic-2-D, " om een ​​klasse van materialen aan te duiden op basis van zelfintercalatie van inheemse atomen in de opening tussen de kristallagen.

Atomair dunne tweedimensionale (2-D) materialen bieden een uitstekend platform om een ​​breed scala aan intrigerende eigenschappen in beperkte 2D-systemen te onderzoeken. Echter, compositie-afstemming van overgangsmetaal dichalcogeniden om nieuwe materialen te maken anders dan de standaard binaire of ternaire verbindingen is een uitdaging. Vroeger, theoretici hebben geprobeerd nieuwe eigenschappen te voorspellen op basis van het combineren van atomen tot een kristalstructuur waarin metaal- en chalcogeenatomen zich op covalent gebonden plaatsen in de basisbouwsteen (eenheidscel) bevinden. Echter, hun theorieën gingen niet in op de situatie waarin hetzelfde metaalatoom tussen twee eenheidscellen zit (het van der Waals-gat opvullen).

Nutsvoorzieningen, onderzoeksteams onder leiding van Prof. Kian Ping LOH van de afdeling Chemie, Wetenschapsfaculteit, NUS en medewerker Prof Stephen J. PENNYCOOK van de afdeling Materials Science and Engineering, Faculteit Ingenieurswetenschappen, NUS, voor het eerst hebben gesynthetiseerd en gekarakteriseerd, een atlas van atomair dunne ic-2-D-materialen op wafelschaal, gebaseerd op het invoegen van dezelfde metaalatomen tussen de van der Waals-spleet van overgangsmetaaldichalcogeniden.

Door groei te observeren onder omstandigheden waarin de metaalatomen groter zijn dan de chalcogenen (bijvoorbeeld zwavel (S), seleen (Se), Telluur (Te)), meer dan 10 verschillende soorten ic-2-D-materialen zijn experimenteel ontdekt door het team. spannender, ferromagnetisme werd in sommige fasen gedetecteerd. In aanvulling, theoretische berekeningen met hoge doorvoer laten zien dat de zelf-intercalatiemethode toepasbaar is op een grote klasse van 2D-gelaagde materialen. Dit betekent dat er een nieuwe bibliotheek met ic-2-D-materialen wacht om ontdekt te worden.

Prof Loh zei:"Deze nieuwe methode voor het construeren van de samenstelling van een brede klasse van overgangsmetaaldichalcogeniden, biedt een krachtige aanpak om gelaagde 2D-materialen om te zetten in ultradunne, covalent gebonden ic-2-D kristallen met ferromagnetische eigenschappen. Het belangrijkste principe is de toepassing van metaalatomen met een hoog chemisch potentieel als drijvende kracht voor intercalatie tijdens de groei. Deze techniek zal naar verwachting compatibel zijn met de meeste materiële groeimethoden."

"Als we twee lagen overgangsmetaal dichalcogenide een beetje uit elkaar splitsen, we kunnen zien dat de chalcogen-sites sleuven hebben zoals een eierhouder. Een andere laag metaalatomen kan de sleuven innemen op dezelfde manier waarop we eieren in de eierhouder kunnen plaatsen. Dit is de magie van ic-2-D materialen, " voegde Prof Pennycook toe.

Dr. ZHAO Xiaoxu, de eerste auteur van het artikel, ontdekte en atomair onthulde deze nieuwe materialen met behulp van atomaire resolutie scanning transmissie-elektronenmicroscopie, en ontdekte dat geïntercaleerde metaalatomen consequent de octaëdrische vacatures in de van der Waals-spleet bezetten, wat resulteert in verschillende topografische patronen, afhankelijk van de intercalatieconcentraties. Door de unieke toplogie, het ferromagnetisme kan worden geïnduceerd door het dubbele uitwisselingsmechanisme, veroorzaakt door de ladingsoverdracht van geïntercaleerd metaal naar ongerept metaal.

Prof Loh merkte op, "Met veelzijdigheid in compositiecontrole, we hebben laten zien dat het mogelijk is om af te stemmen, in één materiaalklasse, eigenschappen die kunnen variëren van ferromagnetisch tot non-ferromagnetisch, en spin-gefrustreerde Kagome-roosters. Deze ontdekking presenteert een rijk landschap van ultradunne 2D-materialen die wachten op de verdere ontdekking van nieuwe eigenschappen."

Volgende, de teams zijn van plan deze nieuwe bibliotheek met materialen op te nemen in geheugenapparaten, voor praktische toepassingen, en vreemde atomen intercaleren in de van der Waals-kloof en nieuwe gefunctionaliseerde ic-2-D-materialen exploiteren.