In een nieuw rapport gepubliceerd in Wetenschap , Yi-Lun Hong en een groep onderzoekswetenschappers in materiaalkunde, Engineering, en geavanceerde technologie in China en het VK onderzochten tweedimensionale (2-D) materialen om nieuwe fenomenen en ongebruikelijke eigenschappen te ontdekken. Het team introduceerde elementair silicium tijdens op chemische dampafzetting gebaseerde groei van molybdeennitride om het oppervlak te passiveren en centimeterschaal te ontwikkelen, monolaag nitride films met silicium zoals MoSi ₂ N ₄ . Ze bouwden de monolaagfilm met zeven atomaire lagen in de volgorde stikstof-silicium-stikstof-molybdeen-stikstof-silicium-stikstof (N-Si-N-Mo-N-Si-N), en het resulterende materiaal vertoonde een halfgeleidend gedrag en uitstekende stabiliteit onder omgevingsomstandigheden. Met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen, de wetenschappers voorspelden dat er een grote familie van dergelijke monolaag gestructureerde 2D-materialen zou bestaan ​​met nuttige toepassingen als halfgeleiders, metalen en magnetische halfmetalen.

Tweedimensionale materialen

Tweedimensionale materialen hebben aantrekkelijke eigenschappen die geschikt zijn voor uiteenlopende technische toepassingen. Van deze, Overgangsmetaalcarbiden en nitriden (TMC's en TMN's) kunnen een grote familie van niet-gelaagde materialen vormen om eigenschappen van keramiek en metalen te combineren. De MAX-fase, waarbij M staat voor een vroeg overgangsmetaal, A is een A-groepselement zoals aluminium of silicium en X is koolstof, stikstof of beide, vormt de basis voor monolaag MXenen. Dergelijke monolaagfilms kunnen selectief worden gesynthetiseerd door de A-elementlaag te etsen. Deze materialen hebben een hydrofiel (waterminnend) oppervlak en een hoge elektrische geleidbaarheid met veelbelovende toepassingen zoals energieopslag, sensoren en katalyse. Wetenschappers hebben onlangs een methode voor chemische dampafzetting (CVD) ontwikkeld om hoogwaardige, niet-gelaagde 2-D TMC- en TMN-kristallen met diverse structuren. Maar de beperkingen van de oppervlakte-energie zorgden ervoor dat de niet-gelaagde materialen als eilanden groeiden in plaats van lagen. In dit werk, Hong et al. daarom groeide 2-D molybdeennitride en de MoSi ₂ N ₄ verbinding met behulp van chemische dampafzetting.

Tijdens de experimenten, de wetenschappers gebruikten een koper/molybdeen (Cu/Mo) dubbellaag als substraat en ammoniak (NH .) ₃ ) gas als stikstofbron. Toen ze elementair silicium in de experimentele opstelling introduceerden, de groei van het substraat veranderde aanzienlijk om een ​​uniforme polykristallijne film te vormen. Het team bepaalde de dikte van het materiaaloppervlak met behulp van atomaire krachtmicroscopie (AFM) en merkte op dat het oppervlaktegroeiproces robuust was. Typisch, de toevoeging van een element aan een groeiend 2D-materiaal kan alleen doping veroorzaken zonder de kristalstructuur van de matrix te veranderen. Maar in dit geval, het toevoegen van silicium leidde tot een nieuwe enkellaagse verbinding in plaats van het substraat simpelweg te dopen. Hong et al. identificeerde de kristalstructuur van het nieuw gevormde 2D-materiaal met behulp van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en testte de oppervlakte-elementen met behulp van energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS), elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS).

Omdat het moeilijk was om de exacte posities van stikstofatomen in beeld te brengen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie, het team voerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) -berekeningen van de verbinding uit om de structuurformule te onthullen. Het proces bevestigde de aanwezigheid van een van der Waals (vdW) gelaagd 2D-materiaal met de MoSi ₂ N ₄ formule. Dan met behulp van moleculaire dynamica berekeningen, ze observeerden dat de structuur dynamisch en thermodynamisch stabiel was - terwijl Raman-spectra een hoge kristalkwaliteit van de MoSi . aangaven ₂ N ₄ structuur. Opnieuw DFT-berekeningen gebruiken, Hong et al. merkten de MoSi . op ₂ N ₄ monolaag om halfgeleidereigenschappen (optische en elektrische eigenschappen) te behouden naast een dragermobiliteit die afhankelijk was van de elasticiteitsmodulus van het materiaal.

Om de optische eigenschappen van de monolaag MoSi . te bestuderen ₂ N ₄ film, Hu et al. bracht het over op een saffiersubstraat en mat de bandgap, waar de halfgeleidende monolaag een hoge optische transmissie behield vergelijkbaar met grafeen. Om de elektrische transporteigenschappen van de materialen te testen, Hong et al. gefabriceerde back-gated veldeffecttransistorapparaten om typisch halfgeleidergedrag te observeren. De wetenschappers maten vervolgens de mechanische eigenschappen van de monolaagfilm met behulp van nano-inspringing om het elastische gedrag van het membraan te benadrukken. Het nieuw gevormde materiaal vertoonde een langdurige stabiliteit bij het hanteren, opslag, en verwerking onder omgevingsomstandigheden zonder een beschermende omgeving in tegenstelling tot andere materialen.

Een brede klasse van 2D van der Waals (vdW) gelaagde materialen creëren

Hong et al. liet zien hoe diverse overgangsmetaalelementen mogelijk de overeenkomstige elementen in MoSi . zouden kunnen vervangen ₂ N ₄ gebaseerd op aanvullende DFT-berekeningen om een ​​brede klasse van 2-D van der Waal gelaagde materialen met een vergelijkbare kristalstructuur te creëren. Op dit moment, ze vertegenwoordigden de materialen met de algemene formule van MA ₂ Z ₄ , waarbij M een vroeg overgangsmetaal vertegenwoordigde, A was silicium of Germanium en Z stond voor stikstof, fosfor of arseen. De elementaire diversiteit in MA ₂ Z ₄ , lieten een brede afstembaarheid van hun bandgap en magnetische eigenschappen toe met toepassingen in opto-elektronica, elektronica en spintronica. Door dergelijke materialen te gebruiken, de wetenschappers zullen in staat zijn om tot nu toe onbekende opwindende eigenschappen en toepassingen te onderzoeken die bestaan ​​in gelaagde materialen. Op deze manier, de hier beschreven chemische dampafzettingsmethode zal de weg vrijmaken voor het synthetiseren van diverse materialen in 2-D en monolaagvormen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk