Materiaalwetenschappers van Rice University en de University of Pennsylvania pleiten voor een collectief, wereldwijde inspanning om de massaproductie van 2D-materialen zoals grafeen en molybdeendisulfide te versnellen.

In een perspectiefartikel gepubliceerd online in Materialen vandaag , hoofdredacteur van het tijdschrift Jun Lou en collega's pleiten voor een gerichte, collectieve inspanning om de onderzoeksuitdagingen aan te pakken die de weg zouden kunnen vrijmaken voor grootschalige massaproductie van 2D-materialen.

Lou en collega Rice-materiaalwetenschappers Ming Tang, Jing Zhang en Fan Wang voegden zich bij Penn's Vivek Shenoy bij het beschrijven van de potentiële transformatie in 2D-materiaaltechnologie die zou kunnen resulteren uit een systematische, poging van de hele gemeenschap om de vormen in kaart te brengen van de 2D-kristallen die in laboratoria over de hele wereld worden gekweekt via een proces dat bekend staat als chemische dampafzetting (CVD).

"Als sneeuwvlokken in de natuur, 2-D-kristallen vertonen een rijke verscheidenheid aan morfologieën onder verschillende groeiomstandigheden, " Zij schreven.

Het in kaart brengen van deze unieke kristalpatronen en het samenstellen van de kaarten in een wereldwijde database, naast de recepten voor het maken van elk patroon, zou een schat aan informatie kunnen ontsluiten "voor begrip, het diagnosticeren en beheersen van het CVD-proces en de omgeving voor 2-D materiële groei, ’ schreven de onderzoekers.

CVD is een veelgebruikt proces voor het maken van dunne films, inclusief commercieel belangrijke materialen in de halfgeleiderindustrie. In een typische CVD-reactie, een vlakke plaat materiaal, een substraat genaamd, wordt in een reactiekamer geplaatst en gassen worden op zo'n manier door de kamer gestroomd dat ze reageren en een vaste film bovenop het substraat vormen.

Een doel van het veld is het ontwikkelen van computersoftware die nauwkeurig de eigenschappen kan voorspellen van een dunne film die het gevolg zal zijn van het mengen van specifieke reactantgassen onder specifieke omstandigheden. Het maken van dergelijke modellen wordt bemoeilijkt door zowel een onvolledig begrip van de fysische en chemische processen die plaatsvinden tijdens CVD als door het bestaan ​​van tientallen CVD-reactorformaten.

Het catalogiseren van de vorm van kristallen geproduceerd door CVD-experimenten zou materiaalwetenschappers belangrijke informatie kunnen verschaffen over hun synthese, op vrijwel dezelfde manier dat mineralogen waardevolle aanwijzingen over de geschiedenis van de aarde vinden op basis van onderzoek van natuurlijk voorkomende kristalstructuren, Lou en collega's stelden voor.

"Neem als voorbeeld de mooie sneeuwvlokken, " schreven de auteurs. "Een misschien verrassend feit voor velen is dat sneeuwkristallen veel verschillende categorieën vormen kunnen vertonen, die afhankelijk zijn van de temperatuur en wateroververzadiging van de atmosfeer waarin ze zijn gevormd."

De Japanse wetenschapper Ukichiro Nakaya, door uitgebreide waarnemingen van sneeuwvlokken in zowel de natuur als het laboratorium, ontwikkelde een figuur die bekend staat als het Nakaya-diagram om de informatie in sneeuwvlokken te helpen ontcijferen. Door de vormen in een sneeuwvlok te onderzoeken, en zien waar die vormen op Nakaya's diagram liggen, wetenschappers kunnen de exacte atmosferische omstandigheden bepalen die de sneeuwvlok hebben geproduceerd, die Nakaya poëtisch 'een brief uit de lucht' noemde.

Geïnspireerd door het werk van Nakaya, Lou en collega's creëerden een Nakaya-achtig diagram van 2D-kristalpatronen die zijn geproduceerd via CVD en toonden aan hoe het en andere morfologiediagrammen kunnen worden gebruikt om aanwijzingen af ​​te leiden over procesvariabelen zoals gasstroomsnelheden en verwarmingstemperaturen die elk patroon produceerden.

Dankzij de vooruitgang in real-time beeldvorming en in geautomatiseerde systemen die grote datasets van kristalstructuren kunnen produceren, de auteurs zeiden dat er "een reëel potentieel is voor de ontwikkeling van morfologiediagrammen om een ​​gangbare praktijk te worden en als hoeksteen van kristalgroei te dienen."